VAMDRILLING86.FRD 1 COMPOSANTS DE GARNITURE DE FORAGE ET TRAIN DE COMPOSANTS [1] L'invention a pour objet des composants de garniture utilisés pour le forage rotatif de gisements pétroliers ou gaziers. L'invention s'applique notamment aux composants utilisés dans une garniture de forage tels que par exemple les tiges de forage « Drill Pipes », les tiges lourdes « Heavy Weight Drill Pipes ». [2] Les tiges de forage rotatives reliées entre elles pour former des trains de tiges et associées à d'autres composants de la garniture de forage (masse-tiges, stabilisateurs ...) peuvent permettre 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. [3] Toutefois, dans le cas de forages déviés, il se pose généralement plusieurs problèmes liés directement à la variation de l'inclinaison de forage. [004] Tout d'abord, sur les tronçons de trains de tiges quasiment horizontaux, les couples de frottement peuvent atteindre des valeurs très élevées au cours du forage sous l'effet du poids des composants employés sur ces tronçons. Il s'ensuit une usure prématurée des composants employés sur ces tronçons. [5] Ensuite, compte tenu du fait que le trou n'est plus rectiligne, la remontée de la boue chargée en débris issus du creusement des roches, est beaucoup plus difficile, car moins directe. 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. [6] Enfin, compte tenu du fait que la trajectoire empruntée par les trains de tiges n'est plus rectiligne, il apparaît que la répartition des vibrations le long de ces trains n'est plus homogène. De ce fait, des concentrations de contraintes de flexion supérieures aux limites admissibles risquent d'endommager les trains de tiges par endroit. [7] Afin de prévenir ces inconvénients, l'état de la technique propose divers aménagements. [008] Ainsi, le document FR 2851608 décrit une tige de forage muni d'une zone d'appui présentant un revêtement dur de sorte qu'en cet endroit la surface de contact avec les parois du trou est résistante à l'usure. De plus, il est prévu des zones d'activation de forme hélicoïdale permettant d'accélérer la remontée du fluide de forage et des débris issus du forage. [9] De même, le document FR2835014 propose des profils de tiges de forage dans lesquels des creux et des saillies sont agencés de manière à faciliter la remontée des 5 débris de forage. [10] Bien entendu, ces solutions ont apporté des résultats très satisfaisants. Toutefois, les solutions actuelles nécessitent d'usiner les composants de forage pour obtenir les zones d'activation et de traiter les zones d'appui desdits composants pour obtenir un revêtement résistant à l'usure. De manière plus générale, l'ajout de ces 10 fonctionnalités sur les composants de forage impacte fortement la fabrication de ces composants. [11] Le document WO200593204 propose un dispositif apte à être fixé sur un composant de forage de manière amovible et portant des zones fonctionnelles capables de faciliter la circulation des boues de forage et la remontée des débris ainsi 15 que la progression du composant lors du forage. Le dispositif est constitué de deux demi-coques reliées entre elles par une liaison pivot ; le dispositif est arrimé autour du composant de forage au moyen d'un système de serrage qui plaque les demi-coques l'une contre l'autre. [12] Toutefois cette solution présente l'inconvénient de fragiliser le composant de 20 forage. En effet, le fait que le dispositif enserre le composant génère une zone comportant une forte concentration de contraintes. Ceci a pour effet, que le composant de forage peut se rompre en service, ou bien se désolidariser du dispositif portant les zones fonctionnelles. [13] L'invention propose un composant de forage comportant des zones fonction-25 nelles davantage résistantes en fonctionnement. [14] Plus précisément, un composant de garniture de forage rotatif pour l'exploration d'un puits d'hydrocarbures avec circulation de boue de forage autour dudit composant depuis le fond du puits vers la surface, comprend un élément tubulaire central d'axe de révolution et prolongé de part et d'autre respectivement par un premier et un second 30 connecteurs comprenant chacun respectivement et successivement une première portion cylindrique raccordée à l'élément tubulaire, une deuxième portion tronconique, une troisième portion cylindrique de rayon R supérieur à celui de l'élément tubulaire, et une extrémité filetée apte à raccorder le composant à un autre composant. Le composant comprend une coque sur la surface circonférentielle de laquelle sont ménagées une ou plusieurs zones fonctionnelles. La coque est montée de manière solidaire et amovible sur l'un des connecteurs. [15] Des caractéristiques optionnelles de l'invention, complémentaires ou de 5 substitution, sont énoncées ci-après. [16] La coque peut être vissée contre la portion tronconique d'un des connecteurs au moyen de vis logées dans des logements, par exemple filetés, réalisés dans la coque et dans la portion tronconique et coaxiaux entre eux. [17] La coque peut être fixée contre la deuxième portion tronconique d'un des 10 connecteurs au moyen d'au moins une goupille traversant ladite coque, ladite goupille étant bloquée à l'une de ses extrémités dans un évidement pratiqué dans le connecteur et au moyen d'un écrou vissé à l'autre extrémité de la goupille. [18] La surface circonférentielle intérieure de la coque constituée de deux demi-coques, ainsi que la surface circonférentielle extérieure de la troisième portion 15 cylindrique d'un des connecteurs peuvent être complémentaires de manière à ce que la première coque soit emboîtable sur la troisième portion cylindrique. [19] Le composant peut comprendre une première et une deuxième coques, l'une des deux faces de la première coque étant emboîtable dans l'une des deux faces de la deuxième coque, de sorte que les coques sont solidarisées selon un montage du type 20 baïonnette. [20] Les zones fonctionnelles peuvent comprendre une première zone d'activation de fluide, en aval de laquelle est ménagée une première zone d'appui, en aval de laquelle est ménagée une deuxième zone d'activation de fluide, en aval de laquelle est ménagée une deuxième zone d'appui, en aval de laquelle est ménagée une troisième 25 zone d'activation de fluide, les termes amont et aval étant définis par rapport au sens de circulation de la boue le long dudit composant. [21] Lesdites zones d'activation peut comprendre une pluralité de rainures creusées dans la surface de la (des) coque(s) et s'étendant de manière hélicoïdale autour de l'axe du composant tubulaire central. 30 [022] La surface sur laquelle est ménagée la première zone d'activation peut être inclinée depuis l'amont vers l'aval de façon à s'éloigner de l'axe de l'élément tubulaire central, et ceci de manière à guider la boue le long du composant. [23] La surface sur laquelle est ménagée la deuxième zone d'activation peut être concave, de manière à guider la boue le long du composant. [24] La surface sur laquelle est ménagée la troisième zone d'activation peut être inclinée depuis l'amont vers l'aval de façon à se rapprocher de l'axe de l'élément 5 tubulaire central, et ceci de manière à guider la boue le long du composant. [25] La surface sur laquelle sont ménagées les première et deuxième zones d'appui peut être convexe, de manière à limiter les frottements entre la coque et la paroi du puits. [26] Les zones d'activation et les zones d'appui peuvent être raccordées entre elles 10 de manière tangentielle. [27] La ou les coque(s) peu(ven)t être montée(s) de manière solidaire et amovible sur un connecteur doté d'une extrémité filetée mâle. [28] L'invention concerne également un train de composants de garniture de forage rotatif, dont un composant conforme à un mode de réalisation de l'invention intervient 15 dans la constitution du train de forage avec une périodicité égale à trois. [29] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : [30] la figure 1 est une vue schématique d'une garniture de forage ; 20 [031] la figure 2 est une vue schématique d'un puits de forage ; et [32] les figures 3 à 10 sont des vues en perspective de différents modes de réalisation de l'invention. [33] La figure 1 représente une vue schématique d'une garniture de forage classique. On appelle garniture de forage l'ensemble des composants en position assem- 25 blée, qui est destiné à être descendu dans le puits pour creuser ce dernier. De manière conventionnelle, une garniture de forage comprend une première portion destinée à creuser le fond du puits et appelée BHA pour « Bottom Hole Assembly » ou ensemble de fond de trou. Elle comprend en son extrémité raccordée au trépan T des composants tubulaires épais usinés dans la masse et de section constante sur toute leur 30 longueur, appelés MWD/LWD pour « Measurement While Drilling et Login While Drilling » et des collars. Ces collars LDC, SDC pour « Larger Drill Collars, Smaller Drill Collars » admettent des diamètres croissants en direction du trépan. La BHA peut comprendre en outre l'autre extrémité que celle qui porte le trépan, des tubes HW pour « Heavy Weight » appelés tiges lourdes. Entre la BHA et la surface du puits on retrouve habituellement une succession de composants tubulaires SDP et LDP pour « Smaller Drill Pipes » et « Larger Drill Pipes ». Ces composants tubulaires sont généralement constitués d'un tube central aux extrémités duquel sont soudées des « tool joints », soit des composants tubulaires de diamètre supérieur et comportant un filetage pour le raccordement. [34] De manière à résister aux contraintes mécaniques, les composants tubulaires peuvent admettre une section d'autant plus épaisse que l'on se rapproche du trépan.
Ainsi, lorsqu'on se rapproche de la surface du puits, les Drill Pipes peuvent admettre un diamètre du tube central plus petit de manière à économiser de la matière, alors que les Tool Joints soudés doivent garder une certaine épaisseur pour fiabiliser les portions de raccordement. [35] Lors du forage rotatif, un fluide de forage est conduit sous pression à l'intérieur de la garniture de forage jusqu'au fond du puits. Sous l'effet en partie de la pression, il remonte à la surface en entraînant avec lui les débris de roches creusées par le trépan. [36] La figure 2 représente une vue schématique d'un puits de forage comportant une première zone débouchant en surface 6 au niveau de laquelle on introduit la garniture de forage, et une deuxième zone souterraine 7. La zone souterraine 7 est découpée en trois parties, soit une partie verticale A, une partie inclinée B et une partie horizontale C. [37] Les figures 3 et 4 représentent chacune un exemple de composant de forage 1 comportant un élément tubulaire 13 doté d'un connecteur 12 femelle et d'un connec- teur 11 mâle. Les connecteurs 11 et 12 sont des composants tubulaires appelés aussi tool joints qui sont généralement rapportés à l'élément tubulaire 13 par soudage par friction. Ces connecteurs 11 et 12 comprennent chacun respectivement et successivement une première portion cylindrique 114, 124 raccordée à l'élément tubulaire 13 et de rayon r sensiblement égal à celui de l'élément tubulaire 13, une deuxième portion tronconique 113, 123, une troisième portion cylindrique 112, 122 de rayon R sensible-ment supérieur à celui de l'élément tubulaire 13, et une extrémité filetée 110, 120 apte à raccorder le composant à un autre composant. On entend par le fait que la première portion cylindrique 114, 124 a un rayon r sensiblement égal à celui de l'élément tubulaire 13, le fait qu'il y a conservation de diamètre au niveau de la jonction entre la première portion cylindrique et l'élément tubulaire. Ceci se justifie par le fait que la jonction est effectuée habituellement par soudage. [38] L'élément tubulaire 13 admet un axe de révolution 10. Le composant de forage 1 comporte en outre une coque 2 apte à être fixée solidairement sur l'un des connec- teurs. On entend par «apte à être fixé solidairement», le fait que la coque 2 une fois fixée ne peut ni translater ni tourner par rapport au connecteur. Des zones fonctionnelles sont rapportées sur une coque 2, laquelle coque étant elle-même fixée sur un composant de la garniture de forage, soit avant que ledit composant ne soit assemblé à d'autres, soit après. On entend par « zones fonctionnelles », les surfaces rapportées sur les composants de forage, qui vont permettre d'accélérer la circulation des boues autour de ces composants. Ces surfaces ont généralement des formes particulières facilitant l'écoulement de fluides. On entend aussi par « zones fonctionnelles » les surfaces rapportées sur les composants de forage, qui sont chargées d'encaisser les chocs et les frottements intervenant lors du forage. On entend aussi par « zones fonctionnelles », des portions rapportées sur la coque chargées de loger des composants électroniques. Ces composants électroniques peuvent être dédiés à la mesure, au traitement et/ou à la transmission de signaux. [39] L'apport de zones fonctionnelles sur une garniture de forage selon l'invention est plus simple et plus flexible. En effet, il n'est pas nécessaire d'usiner et de réaliser des revêtements de surface directement sur les éléments tubulaires constituant la garniture de forage pour obtenir ces zones d'activation. Ceci permet en d'autres termes d'éviter un surcoût de matière ainsi que des étapes de fabrication complexes. De plus, la fabrication des coques peut être effectuée à part et l'assemblage de la coque sur les éléments tubulaires peut être effectuée en dehors de l'atelier de fabrication des éléments tubulaires, voire sur le chantier de forage (rig). De plus, ceci permet de ne changer que la coque ou bien que l'élément tubulaire si seulement l'un des deux est endommagé. Le fait que la coque soit fixée sur le connecteur et non pas sur l'élément tubulaire 13, évite de générer des concentrations de contraintes au niveau de l'élément tubulaire qui admet une épaisseur très inférieure à celle des connecteurs. En d'autres termes, la fixation de la coque sur les connecteurs, nettement plus épais que les éléments tubulaires, est très intéressante car elle ne fragilise pas les composants de forage. [40] Le montage de la coque 2 sur le connecteur peut s'effectuer selon différentes modalités. [041] Selon un mode de réalisation représenté sur les figures 5 et 6, la coque 2 peut consister en un seul élément de forme globalement tubulaire et dont le diamètre intérieur est ajusté par rapport au diamètre extérieur de l'élément tubulaire 13 de manière à être monté sur ledit élément tubulaire. [042] Selon un mode de réalisation représenté sur la figure 4, la coque 2 est composée de deux demi-coques 2a et 2b aptes à être jointes de manière à enserrer le connecteur 11 et former la coque 2. [43] Selon un mode de réalisation représenté sur les figures 5 et 6, la fixation de la coque 2 est réalisée contre la portion tronconique 113 du connecteur 11 par vissage au moyen de logements filetés 4 réalisés dans la coque et dans la portion tronconique, et coaxiaux entre eux. Ce mode de montage présente l'avantage d'être simple de réalisation puisqu'il est nécessaire de prévoir seulement les logements filetés et les vis correspondantes. [44] Selon un mode de réalisation représenté sur les figures 7 et 8, la fixation de la coque 2 est réalisée contre la portion tronconique 113 du connecteur 11 au moyen d'une goupille 31 traversant ladite coque, ladite goupille étant bloquée dans un évidement 111 pratiqué dans le connecteur et au moyen d'un écrou 32 vissé à l'autre extrémité de la goupille. [45] Sur la figure 9, on a représenté une variante comportant deux coques 2' et 2", chacune constituée de deux demi-coques de forme semi-annulaire. La fixation de l'ensemble des demi coques (quatre au totale) s'effectue au moyen de quatre goupilles traversant des ouvertures 30 pratiquées dans les demi-coques suivant l'axe 10 de l'élément tubulaire, la jonction des demi-coques constituant la coque 2 étant située dans un plan sensiblement perpendiculaire au plan dans lequel se trouve la jonction des demi-coques constituant la coque 2'. [46] Avantageusement, l'une 221 des deux faces de la première coque 2' est emboîtable contre l'une 211 des deux faces de la deuxième coque 2", de sorte que les coques sont solidarisées selon un montage du type baïonnette . [47] L'avantage d'utiliser deux voire plusieurs coques est particulièrement intéres- sant quand chacune des coques porte une seule zone fonctionnelle. Ceci permet une grande flexibilité dans la mesure où l'on peut doter chaque composant de forage de fonctionnalités particulières en fonction de la manière dont il est utilisé. On pourra par exemple insister sur les zones d'appui pour les composants de forage utilisés dans la portion horizontale C du puits. [48] Selon un mode de réalisation représenté en figure 10, la fixation de la coque (non représentée sur ladite figure) s'effectue non pas en bloquant la coque contre la portion tronconique du connecteur, mais en montant la coque sur le connecteur. Dans ce cas, la coque est constituée de deux demi-coques. La solidarisation en translation et en rotation de la coque par rapport au connecteur est réalisée par le fait que la surface circonférentielle intérieure de la coque et la surface circonférentielle extérieure du connecteur sont complémentaires. On entend par surface circonférentielle, la surface qui s'étend longitudinalement sur tout le contour du composant tubulaire. En revanche, les surfaces qui s'étendent radialement au niveau des bords libres du composant tubulaire ne sont pas des surfaces circonférentielles. [49] De cette manière la coque est emboîtable sur le connecteur. Bien entendu, les deux demi coques peuvent être fixées entre elle par vissage. A titre d'exemple donné en figure 10, la troisième portion cylindrique 112 du connecteur 11 comporte une gorge circulaire 115 dans laquelle vient s'emboîter une forme complémentaire (et non représentée sur la figure 10) ménagée sur la surface circonférentielle intérieure de la coque. Cet agencement permet de bloquer la translation selon l'axe 10, de la coque par rapport au connecteur. La rotation est par contre bloquée au moyen d'encoches 116 ménagées sur la troisième portion cylindrique 112 du connecteur 11, lesdites encoches étant aptes à accueillir des ergots complémentaires ménagés sur la surface circonférentielle intérieure de la coque. [50] Selon ce mode de réalisation détaillé sur la figure 5, la coque 2 porte sur sa surface circonférentielle extérieure successivement une première zone d'activation de fluide 22, une première zone d'appui 21, une deuxième zone d'activation de fluide 24, une deuxième zone d'appui 25 et une troisième zone d'activation de fluide 23. Ce mode de réalisation a l'avantage de proposer une solution plus complète aux problèmes de remontée de débris, de chocs et d'usure par frottement contre la paroi du puits. [051] Afin de faciliter la remontée de la boue formée par le mélange du fluide de forage et des débris, les zones 22, 23, 24 permettant d'activer l'écoulement de la boue le long des composants comportent des rainures 220, 230, 240 pratiquées sur une portion de la surface extérieure des coques et s'étendant de manière hélicoïdale autour de l'axe 10 de l'élément tubulaire central. [52] De manière à guider la boue le long du composant, le diamètre de la coque est croissant depuis l'amont vers l'aval sur la portion de coque sur laquelle est ménagée la première zone d'activation 22, cette zone étant la plus en amont. [53] De même, le diamètre de la coque est décroissant depuis l'amont vers l'aval 5 sur la portion de coque sur laquelle est ménagée la troisième zone d'activation 23, cette zone étant la plus en aval. [54] Les zones d'activation de fluides pourront être conçues selon les enseignements apportés par les demandes françaises FR2789438 et FR2835014 auxquelles le lecteur est invité à se reporter. 10 [055] Afin de renforcer les composants de forage vis-à-vis des chocs, les zones destinées à être en appui sur la paroi du puits sont tout ou partie revêtues de matériaux à dureté élevée. [56] De manière à limiter les frottements entre la coque et la paroi du puits, la surface de la coque sur laquelle sont ménagées les première et deuxième zones 15 d'appui 21, 25 est convexe. [57] De manière à résister aux frottements entre la coque et la paroi du puits, les première et deuxième zones d'appui 21, 25 admettent un diamètre supérieur au diamètre maximum de l'élément tubulaire 13 et une dureté supérieure à la dureté de l'élément tubulaire 13. 20 [058] Les zones d'appui pourront être conçues selon les enseignements apportés par la demande française FR2851608 à laquelle le lecteur est invité à se reporter. [59] Une autre zone d'activation intermédiaire 24 concave est ménagée entre les deux zones d'appui 21, 25, de manière à guider la boue le long du composant. [60] Les zones d'activation et les zones d'appui sont raccordées entre elles de 25 manière tangentielle. [61] L'agencement des différentes zones fonctionnelles pourra être choisi selon les enseignements apportés par la demande française FR2927937 à laquelle le lecteur est invité à se reporter. [62] Pour une garniture de forage telle que celle représentée sur la figure 2, il est 30 avantageux de doter tous les composants situés dans la zone horizontale C proche du trépan, de coques comportant des zones d'appui. En effet, c'est là que les frottements sont importants. [063] En revanche dans les zones A et B, quand on se rapproche de la surface 6, l'espacement entre les composants dotés de coques dépend de l'inclinaison du puits et des paramètres de forage. De plus, il faudra privilégier les zones d'activation de fluide afin de favoriser la remontée des boues jusqu'en surface. [064] De préférence, la coque est fixée sur le connecteur portant une zone filetée mâle. En effet, lors du montage sur le puits, les composants de forage arrivent verticalement par lot de n composants déjà assemblés entre eux, aujourd'hui n=3. L'extrémité du lot prête à être vissée sur le train de forage en progression dans le puits, porte généralement un filetage mâle tandis que l'autre extrémité porte un filetage femelle. De ce fait, il est aisé de faire précéder l'opération de vissage du lot sur le train de forage, d'une opération de montage d'une coque ou d'un ensemble de coques. De plus l'autre extrémité du lot, en général portant un filetage femelle, est utilisée pour la manipulation à l'aide d'élévateurs. Dans ce cas, le train de forage comporte des composants dotés de coques avec une périodicité égale à n, par exemple trois. Il est également envisageable d'avoir une périodicité différente comme par exemple égale à 1. [065] L'invention ne doit pas être limitée à l'apport de zones d'activation de fluides ou bien de zones d'appui. En effet, la coque tout comme l'ensemble de coques fixés sur le connecteur peuvent être destinés à loger des composants électroniques, dédiés par exemple à la mesure, au traitement et/ou à la transmission de signaux utilisés dans les opérations de forage.