WO1995034741A1 - Outil articule de forage - Google Patents

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drilling
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André Leroy
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Leroy Andre
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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    • E21B17/10—Wear protectors; Centralising devices, e.g. stabilisers
    • E21B17/1057—Centralising devices with rollers or with a relatively rotating sleeve
    • E21B17/1064—Pipes or rods with a relatively rotating sleeve

Definitions

  • the invention relates to a tool for drilling oil, gas or geothermal wells, driven in rotation, either from the surface by a rotary system of rods and drill-rods, or by a downhole motor.
  • the tool has two main organs.
  • the first is a hollow shaft which is assembled by one of its ends either to the last rod of the train, or to the shaft of the engine by which the drilling mud must then be brought.
  • drive member we will call “drive member” in both cases, the rod or the motor shaft to which the hollow shaft belonging to the tool is assembled. It is also through this drive member that the advance force is transmitted to the tool.
  • the second main member of the tool is a blind tubular body, hereinafter called “tool body”, the closed end of which carries the cutting edges externally, and the open end of which allows the hollow shaft to pass.
  • the main organs are in spherical connection and this connection is materialized by a ball joint; we call “center of the patella” the center common to the two spherical surfaces which it puts in contact.
  • This spherical connection requires the use of a second connection allowing the transmission of the drilling torque from the hollow shaft to the body of the tool while respecting the relative freedoms of these two members, arising from their spherical connection.
  • This tool has a relatively slender body, the ball joint is located at the very bottom of the blind end of the tool body which carries at its other end a stabilizer, and the transmission system, separate from the ball joint, is located on the same side of this ball joint as the stabilizer.
  • the distance between the center of the ball joint and the stabilizer, in a precise way between this center and the plane perpendicular to the axis of the tool located halfway up this stabilizer, must be at least of the order of 2.5 times the diameter of the tool body, and the greater the greater the lateral aggressiveness of the cutting edges of the tool.
  • the transmission systems used in the tool that is the subject of the invention are distinguished from those used in articulated tools known by the fact that they are external to the ball joint, the bearing surfaces of which are thus avoided, and by the fact that they comprise, between the hollow shaft and the body of the tool, an intermediate element surrounding the hollow shaft.
  • This element is connected to each of the main members by special teeth when this element is rigid, or by assembly when it is deformable (flexible shell). In all cases, we will say that it is a "variable configuration" transmission.
  • the axis of the hollow shaft assembled with the drive member is assumed to be maintained by the latter in the axis of the well already drilled and the tool is assumed, owing to the conditions of cut that it meets, tend to initiate a movement of precession.
  • the position of the center of the patella which identifies the top of the precession cone, allows the tool body to react spontaneously to the inclination that results for the cutting force: this effort itself tends to reduce the tool body in coaxiality with the hollow shaft, with a sensitivity all the greater as the center of the ball joint is located further from the contact surfaces of this ball joint, in the direction of the advance movement of the tool.
  • the action of the stabilizer prevents the relative inclination of the tool from becoming sufficient to cause contact between the hollow shaft and the tool body at the open end of the latter, before action has taken place. the spontaneous reaction of the tool.
  • a deformation of the drive member is supposed to cause the axis of the hollow shaft to tilt relative to the axis of the well.
  • the axis of the hollow shaft then describes with respect to the axis of the well a cone whose apex coincides with the center of the ball joint.
  • the tool body tends to follow the hollow shaft in this movement but the stabilizer prevents it, in a particularly effective way if the stabilizer is in rotoidal connection with the tool body: the latter therefore continues to progress in the axis of the well, independently of the disturbed movement that the deformed drive member imposes on the hollow shaft.
  • the dynamic behavior of the tool is further improved and the distance between the center of the ball joint is increased for a given slenderness of the tool body. the stabilizer.
  • the single figure shows by way of non-limiting example a drilling tool according to the invention.
  • the hollow shaft 1 is assembled at one of its ends to the drive member, not shown, by means of the conical thread 3.
  • the hollow shaft 1 is connected spherical with the tool body 2 by a ball joint, located in the closed end of the tool body and consisting of the element 4 carrying the male surface and integral with the tool body as well as the element 5 carrying the female surface integral with the hollow shaft.
  • the male and female contact surfaces, in conformity in the patella, are centered at point A which we have called the center of the patella.
  • the hollow shaft 1 and the tool body 2 are connected a second time by the sleeve 6 which carries a right internal toothing 7 and a convex external toothing 8.
  • the right internal toothing 7 of the sleeve meshes with the convex external toothing 9, of the same number of teeth, machined on the part 10 integral with the hollow shaft and the toothing curved outer 8 of the sleeve meshes with the right inner toothing 11, of the same number of teeth, secured to the tool body.
  • This second connection between the hollow shaft and the tool body is therefore in the form of a deformable coupling, the sleeve 6 having an additional point contact through the surface 12 with the part 5 of the ball joint, so as to limit forward the absolute translation of the sleeve.
  • the spherical connection produced by the ball 4.5 being here unilateral, that is to say capable of transmitting, from the hollow shaft to the tool body a force directed in the direction of the advance movement only, a contact substitution is provided between the surface 13 linked to the hollow shaft and the surface 14 linked to the tool body, during the descent or ascent of the tool, to allow, during these operations, the transmission of a force acting from the hollow shaft to the tool body in the opposite direction to that which the ball joint can transmit.
  • Two sealing systems using the membranes 15 and 16 respectively isolate from the drilling mud, between the hollow shaft and the tool body, an oil chamber 17 containing the lubricant essential for the ball joint and for the coupling.
  • the membrane 15 front membrane
  • This membrane which separates the downward flow of mud (at high pressure) from the lubricant contained in the oil chamber, is in conformity with metallic surfaces over most of its extent, and it is free over a range of its surface just sufficient for it to have the deformability necessary for the relative deflections of the hollow shaft relative to the tool body during the operation of the tool, and during its descent or ascent, to allow contact between surfaces 13 and 14.
  • the membrane 16 (rear membrane), the shape of which in the free state is that of a truncated cone, is attached by the perimeter of its small base to the outer surface of the hollow shaft, and by the perimeter of its large base to the inner surface of the tool body, so that the small base is located on the side of the open part of the tool body.
  • Lateral openings such as 18 are drilled in the body of the tool, at the level of the membrane 16, so as to bring to this location the flow of rising mud inside the body of the tool, and thus to create, along the rear face of the membrane, a sweeping effect preventing any sedimentation of hard bodies near this membrane.
  • the tool comprises a stabilizer 19 in the vicinity of the open end of the tool body. In the embodiment illustrated here, this stabilizer 19 is in rotoidal connection with the tool body by means of the bearings 20 and 21, lubricated separately, with grease, during assembly and maintenance.

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Abstract

L'invention se rapporte à un outil pour le forage de puits pétroliers, gaziers ou géothermiques, l'outil comporte deux organes principaux, un arbre creux (1) et un corps d'outil borgne (2) plus élancé que celui des corps d'outils traditionnels; les deux organes principaux sont mis en liaison sphérique l'un avec l'autre par une rotule (4, 5). Cette rotule se trouve localisée tout au fond de la partie borgne du corps d'outil qui porte un stabilisateur (19) à son autre extrémité. L'outil contient en outre, entre l'arbre creux et le corps d'outil, un système de transmission approprié (6, 7, 8, 9, 11), séparé de la rotule et situé entre elle et le stabilisateur. L'avantage essentiel de cet outil réside dans la position relative de la rotule et du stabilisateur, qui lui confère un comportement dynamique favorable, sans risque d'arc-boutement. Domaine d'utilisation: forages pétroliers, gaziers et géothermiques.

Description

OUTIL ARTICULE DE FORAGE.
L'invention est relative à un outil de forage de puits pétroliers, gaziers ou géothermiques, animé en rotation, soit depuis la surface par un système rotatif de tiges et de masses-tiges, soit par- un moteur de fond.
L'outil comporte deux organes principaux. Le premier est un arbre creux qui s'assemble par l'une de ses extrémités soit à la dernière tige du train, soit à l'arbre du moteur par lequel doit alors être amenée la boue de forage. Par souci d'unité de langage, nous appellerons "organe d'entraînement" dans les deux cas, la tige ou l'arbre du moteur auquel s'assemble l'arbre creux appartenant à l'outil. C'est aussi par cet organe d'entraînement que l'effort d'avance est transmis à l'outil. Le deuxième organe principal de l'outil est un corps tubulaire borgne, appelé ci-après "corps d'outil", dont l'extrémité fermée porte extérieurement les tranchants, et dont l'extrémité ouverte permet le passage de l'arbre creux.
Les organes principaux sont en liaison sphérique et cette liaison est matérialisée par une rotule; nous appelons "centre de la rotule" le centre commun aux deux surfaces sphériques qu'elle met en contact. L'existence de cette liaison sphérique impose de recourir à une deuxième liaison permettant la transmission du couple de forage de l'arbre creux au corps de l'outil en respectant les libertés relatives de ces deux organes, découlant de leur liaison sphérique.
Des outils articulés répondant à cette définition appartiennent à l'état de la technique (brevets GBA 2281577 et GBA 2190411) . Les outils décrits par ces brevets sont conçus en vue de leur utilisation en forage dévié; de ce fait, le corps d'outil est aussi court que possible, la rotule est située soit à mi-hauteur du corps d'outil (GBA 2281577) , soit au-dessus du corps d'outil (GBA 2190411), l'arbre creux est presqu'entièrement en dehors du corps d'outil et le système de transmission est intégré à la rotule, au détriment de l'étendue des surfaces sphériques en contact. L'outil objet de la présente invention est préférentiellement destiné aux forages en ligne droite. Cet outil présente un corps relativement élancé, la rotule est située tout au fond de l'extrémité borgne du corps d'outil qui porte à son autre extrémité un stabilisateur, et le système de transmission, séparé de la rotule, est localisé du même côté de cette rotule que le stabilisateur. La distance entre le centre de la rotule et le stabilisateur, d'une manière précise entre ce centre et le plan perpendiculaire à l'axe de l'outil situé à mi-hauteur de ce stabilisateur, doit être au minimum de l'ordre de 2,5 fois le diamètre du corps d'outil, et d'autant plus grande que l'agressivité latérale des tranchants de l'outil est plus grande.
Les systèmes de transmission utilisés dans l'outil objet de l'invention se distinguent de ceux qui sont utilisés dans les outils articulés connus par le fait qu'ils sont extérieurs à la rotule dont on évite ainsi d'entamer les surfaces portantes, et par le fait qu'ils comportent, entre l'arbre creux et le corps de l'outil, un élément intermédiaire entourant l'arbre creux. Cet élément est mis en liaison avec chacun des organes principaux par des dentures particulières quand cet élément est rigide, ou par assemblage quand il est défor able (coque flexible) . Dans tous les cas, nous dirons qu'il s'agit d'une transmission "à configuration variable".
Toute comparaison entre le comportement de l'outil objet de l'invention et les outils articulés cités dans l'état de la technique est difficile, puisque leurs domaines d'utilisation préférentiels sont différents. Par rapport aux outils monolithiques connus, les avantages présentés par l'outil objet de l'invention se situent dans le comportement dynamique de celui-ci. Ce comportement est rendu largement indépendant des mouvements parasites de l'organe d'entraînement, sans que cette indépendance empêche l'outil de réagir de lui-même aux vibrations les plus gênantes excitées par le mouvement de coupe et sans que ses deux organes principaux puissent se mettre en configuration d'arc-boute ent. Ces avantages résultent de la position relative de la rotule et du stabilisateur appartenant au corps d'outil.
Considérons deux cas de fonctionnement possibles de l'outil objet de l'invention. Dans le premier de ces cas, l'axe de l'arbre creux assemblé à l'organe d'entraînement est supposé maintenu par celui-ci dans l'axe du puits déjà foré et l'outil est supposé, par suite des conditions de coupe qu'il rencontre, tendre à amorcer un mouvement de précession. La position du centre de la rotule, auquel s'identifie le sommet du cône de précession, permet au corps d'outil de réagir spontanément à l'inclinaison qui en résulte pour l'effort de coupe: cet effort tend lui- même à ramener le corps d'outil en coaxialité avec l'arbre creux, avec une sensibilité d'autant plus grande que le centre de la rotule est situé plus loin des surfaces de contact de cette rotule, dans le sens du mouvement d'avance de l'outil. Dans ce cas, l'action du stabilisateur empêche que l'inclinaison relative de l'outil devienne suffisante pour provoquer un contact entre l'arbre creux et le corps d'outil à l'extrémité ouverte de celui-ci, avant que soit intervenue la réaction spontanée de l'outil.
Dans le deuxième cas considéré, une déformation de l'organe d'entraînement est supposée amener l'axe de l'arbre creux à s'incliner par rapport à l'axe du puits. L'axe de l'arbre creux décrit alors par rapport à l'axe du puits un cône dont le sommet coïncide avec le centre de la rotule. Le corps d'outil tend à suivre l'arbre creux dans ce mouvement mais le stabilisateur l'en empêche, d'une manière particulièrement efficace si le stabilisateur est en liaison rotoïde avec le corps d'outil: celui-ci continue donc à progresser dans l'axe du puits, indépendamment du mouvement perturbé que l'organe d'entraînement déformé impose à l'arbre creux.
La position de la rotule tout au fond du corps d'outil permet de reporter le centre de cette rotule le plus loin possible dans le sens du mouvement d'avance sans affaiblir de manière excessive le pouvoir de guidage latéral de la liaison sphérique. Mais cette liaison sphérique devient unilatérale et un contact alternatif doit donc être prévu entre les deux organes principaux de l'outil pour permettre de descendre et de remonter l'outil sans risquer d'en perdre le corps.
En reportant ainsi le centre de la rotule aussi loin que possible dans la direction indiquée, on améliore encore le comportement dynamique de l'outil et on augmente, pour un élancement donné du corps d'outil, la distance entre le centre de la rotule et le stabilisateur.
Lorsque les surfaces en contact, dans la rotule et dans le système de transmission sont métalliques, une lubrification de ces surfaces est indispensable non seulement pour leur conservation, mais pour diminuer dans ces contacts les efforts de frottement, qui éloignent le comportement de l'outil de son comportement idéal. Il est donc prévu, en cas de nécessité, d'isoler entre le corps d'outil et l'arbre creux une chambre à lubrifiant contenant la rotule et le joint de transmission. Cette chambre est limitée par un double système déformable d'étanchéité autorisant les mouvements relatifs du corps d'outil et de l'arbre creux libérés par la rotule et permettant de maintenir le lubrifiant enfermé à une pression voisine de celle du flux de boue de forage remontant vers la surface.
La figure unique montre à titre d'exemple non-limitatif un outil de forage conforme à l'invention.
Dans la coupe partielle que présente cette figure, on peut voir les deux organes principaux constitutifs de l'outil: l'arbre creux 1 et le corps d'outil 2, de forme tubulaire borgne portant à son extrémité fermée les plaquettes tranchantes telles que 22. L'arbre creux 1 s'assemble par l'une de ses extrémités à l'organe d'entraînement, non représenté, par l'intermédiaire du filet conique 3. Par son autre extrémité, l'arbre creux 1 est mis en liaison sphérique avec le corps d'outil 2 par une rotule, localisée dans l'extrémité fermée du corps d'outil et constituée de l'élément 4 portant la surface mâle et solidaire du corps d'outil ainsi que de l'élément 5 portant la surface femelle et solidaire de l'arbre creux. Les surfaces de contact mâle et femelle, en conformité dans la rotule, sont centrées au point A que nous avons appelé centre de la rotule. L'arbre creux 1 et le corps d'outil 2 sont une seconde fois mis en liaison par le manchon 6 qui porte une denture intérieure droite 7 et une denture extérieure bombée 8. La denture intérieure droite 7 du manchon engrène avec la denture extérieure bombée 9, de même nombre de dents, usinée sur la pièce 10 solidaire de l'arbre creux et la denture extérieure bombée 8 du manchon engrène avec la denture intérieure droite 11, de même nombre de dents, solidaire du corps d'outil. Cette deuxième liaison entre l'arbre creux et le corps d'outil se présente donc sous la forme d'un accouplement déformable, le manchon 6 ayant un contact ponctuel supplémentaire par la surface 12 avec la partie 5 de la rotule, de manière à limiter vers l'avant la translation absolue du manchon.
La liaison sphérique réalisée par la rotule 4,5 étant ici unilatérale, c'est-à-dire apte à transmettre, de l'arbre creux au corps d'outil un effort dirigé dans le sens du mouvement d'avance seulement, un contact de substitution est prévu entre la surface 13 liée à l'arbre creux et la surface 14 liée au corps d'outil, lors de la descente ou de la remontée de l'outil, pour permettre, pendant ces opérations, la transmission d'un effort agissant de l'arbre creux au corps d'outil dans le sens opposé à celui que la rotule peut transmettre.
Deux systèmes d'étanchéité utilisant respectivement les membranes 15 et 16 isolent de la boue de forage, entre l'arbre creux et le corps d'outil, une chambre d'huile 17 contenant le lubrifiant indispensable à la rotule et à l'accouplement.
La membrane 15 (membrane avant) , dont la forme à l'état libre est celle d'un tube portant une bride à une de ses extrémités, est engagée par sa partie de forme tubulaire dans la surface intérieure de l'arbre creux et par sa partie en forme de bride dans le corps d'outil. Cette membrane, qui sépare le flux de boue descendant (à haute pression) du lubrifiant contenu dans la chambre d'huile, est en conformité avec des surfaces métalliques sur la plus grande partie de son étendue, et elle est libre sur une étendue de sa surface juste suffisante pour qu'elle présente la défor abilité nécessaire aux débattements relatifs de l'arbre creux par rapport au corps d'outil pendant le fonctionnement de l'outil, et pendant sa descente ou sa remontée, pour permettre l'entrée en contact des surfaces 13 et 14.
La membrane 16 (membrane arrière) dont la forme à l'état libre est celle d'un tronc de cône, est attachée par le périmètre de sa petite base à la surface extérieure de l'arbre creux, et par le périmètre de sa grande base à la surface intérieure du corps d'outil, de manière que la petite base soit située du côté de la partie ouverte du corps d'outil. Des ouvertures latérales telles que 18 sont percées dans le corps de l'outil, à hauteur de la membrane 16, de manière à ramener à cet endroit le flux de boue remontante à l'intérieur du corps d'outil, et à créer ainsi, le long de la face arrière de la membrane, un effet de balayage empêchant toute sédimentation de corps durs à proximité de cette membrane. L'outil comporte un stabilisateur 19 au voisinage de l'extrémité ouverte du corps d'outil. Dans la réalisation illustrée ici, ce stabilisateur 19 est en liaison rotoïde avec le corps d'outil par l'intermédiaire des roulements 20 et 21, lubrifiés séparément, à la graisse, lors du montage et des entretiens.

Claims

REVENDICATIONS
1. Outil de forage de puits pétroliers, gaziers ou géothermiques, animé en rotation par un organe d'entraînement qui lui transmet aussi un effort d'avance, constitué de deux organes principaux, dont l'un est un arbre creux (1) assemblé par l'une de ses extrémités (3) à l'organe d'entraînement, et l'autre un corps tubulaire borgne (2) appelé ici corps d'outil, dont l'extrémité fermée porte extérieurement les tranchants et dont l'extrémité ouverte permet le passage de l'arbre creux, dans lequel les organes principaux sont en liaison sphérique, l'arbre creux transmettant le couple de forage au corps d'outil par un système de transmission à configuration variable, caractérisé : - en ce que la rotule (4,5) matérialisant la liaison sphérique est localisée tout au fond de la partie borgne du corps d'outil,
- en ce que le corps d'outil porte un stabilisateur (19) localisé à son autre extrémité, à une distance du centre de la rotule de l'ordre de 2,5 fois au moins le diamètre extérieur du corps d'outil,
- en ce que le système de transmission à configuration variable (6,7,8,9,11) est séparé de la rotule et localisé du même côté de cette rotule que le stabilisateur et - en ce que ce système utilise pour transmettre le couple de forage un élément intermédiaire (6) entourant l'arbre creux.
2. Outil de forage conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que la liaison sphérique (4,5) localisée dans .le fond du corps d'outil est unilatérale, de manière à ne transmettre, de l'arbre creux au corps d'outil, qu'un effort dirigé dans le sens du mouvement d'avance, le centre (A) de la rotule qui réalise la liaison sphérique unilatérale pouvant ainsi être reporté le plus loin possible dans le sens du mouvement d'avance.
3. Outil de forage conforme à la revendication 1, caractérisé :
- en ce que le joint de transmission est constitué d'un manchon (6) contenu dans le corps d'outil (2) , portant à l'une de ses extrémités une denture droite intérieure (7) et à l'autre extrémité une denture bombée extérieure (8) ,
- en ce que la denture droite intérieure (7) de ce manchon engrène avec une denture extérieure bombée (9) de même nombre de dents, solidaire de l'arbre creux et,
- en ce que la denture extérieure bombée du manchon (8) engrène avec une denture intérieure droite (11) de même nombre de dents, solidaire du corps d'outil, de manière à constituer un accouplement déformable entre l'arbre creux et le corps d'outil, un appui ponctuel supplémentaire (12) du manchon sur l'un des organes principaux de l'outil limitant unilatérale¬ ment la translation absolue du manchon sans en restreindre les libertés relatives.
4. Outil de forage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le stabilisateur (19) localisé au voisinage de l'extrémité ouverte du corps d'outil est en liaison rotoïde (20,21) avec le corps d'outil.
5. Outil de forage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce*qu'un double système d'étanchéité déformable (15,16) isole, entre l'arbre creux et le corps d'outil, une chambre à huile (17) contenant la rotule et le joint de transmission, et en ce que ce double système d'étanchéité est constitué d'une membrane avant (15) , dont la forme à l'état libre est celle d'un tube portant une bride à une de ses extrémités, la partie de forme tubulaire de cette membrane étant engagée dans la surface intérieure de l'arbre creux et la bride étant engagée dans le corps d'outil, et une membrane arrière (16) , dont la forme libre est celle d'un tronc de cône, et qui se trouve attachée dans la surface extérieure de l'arbre creux (1) et dans la surface intérieure du corps d'outil (2) , de manière que la petite base du tronc de cône soit située du côté de la partie ouverte du corps d'outil et,
- en ce que le corps d'outil (2) présente à hauteur de la membrane arrière (16) des ouvertures (18) permettant de ramener le flux de boue remontante à l'intérieur du corps d'outil en créant le long de la membrane arrière (16) un effet de balayage empêchant la sédimentation de particules dures entre la membrane et le corps d'outil.
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