WO2002046567A1 - Dispositif de forage directionnel rotary comportant un moyen de flexion stabilise - Google Patents

Dispositif de forage directionnel rotary comportant un moyen de flexion stabilise Download PDF

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Claude Mabile
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Institut Francais Du Petrole
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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
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/10—Wear protectors; Centralising devices, e.g. stabilisers
    • E21B17/1014—Flexible or expansible centering means, e.g. with pistons pressing against the wall of the well

Definitions

  • the present invention relates to the field of directional drilling, for example
  • rotation located on the surface drilling rig e.g. rotation table
  • a first technique is to use a motor
  • drilling can progress without
  • an elbow fitting which can also be integrated into the downhole motor (bent housing), shifts the axis of rotation of the tool by relative to the main longitudinal axis of the drill string, in particular that of the drill collars. This offset causes a trajectory to be carried out
  • Said tubular element is
  • the object of the present invention is to describe another device using the bending of a rotary shaft, presenting other advantages, by
  • the present invention relates to a directional drilling device
  • the shaft is arranged in the annular space and cooperates with means of
  • the nacelle may include means for rotating in the direction
  • the nacelle may include electronic means for controlling and
  • the flexing means can be movable in rotation with the nacelle.
  • the flexing means may include several sealed chambers
  • the energy required for operation can be supplied by a turbine placed in an internal channel to the shaft, a battery system can
  • the device may include means of transmission and
  • the signal being at least one of the following data: the location of the device, a
  • the means of transmission and reception can communicate with
  • the means of transmission and reception can communicate with
  • a relay transmission assembly which communicates with the surface.
  • FIG. 2 shows an embodiment of flexion means per pad
  • FIGS. 3A and 3B schematically show in section another embodiment of the means of bending of the device according to the invention
  • Figure 1 shows in section a deviation control device 1
  • This device 1 is fixed to the end of a drill string 2,
  • a drilling tool 3 is screwed to the end of a shaft 5 integrally connected to the drilling string 2 by means of
  • Tool 3 drills a well by rotation, which rotation is
  • the deflection device 1 comprises an external body 7 cooperating with
  • connection means 8 are of the threading, crimping, or assembly type.
  • the connecting means 9, at the other end of the outer body 7, are of the type
  • the device comprises an annular space 10 comprised between
  • a nacelle 11 It is in this annular space that two sets are placed: a nacelle 11 and flexion means 12.
  • the nacelle 11 is mounted on
  • the nacelle can thus take a
  • the means 12 for bending the shaft 5 cooperate with the interior of the body
  • the trajectory of the well can be directed.
  • a set of location sensors 14 makes it possible to obtain in time
  • the assembly 11 includes a rotary joint 17 allowing the
  • hydraulic circuits will be used which are more easily achievable in this environment of the
  • the nacelle carries several functional elements: sensors for locating its position relative to the fixed space, electronic means for
  • a motor 19 manages the speed of rotation of the nacelle by means of a system
  • FIG. 2 illustrates the principle of a shoe 21 sliding in a jacket 22 according to a
  • shoe 21 is applied to the body 7 by means of rolling bearings
  • the body 22 of the shirt is in contact with the shaft 5 by
  • control element 18 brings the pressurized fluid into the chamber 23.
  • FIGS. 3A and 3B illustrate another embodiment of the means
  • FIG. 3A
  • Tree 5 is crossed
  • conduit 16 allowing the circulation of the
  • a mandrel 30, concentric with the shaft 5, has slots 31
  • FIG. 3B schematically shows the flexing means 11 in
  • nacelle 11 acts as a distributor of pressurized fluid through orifice 37 which
  • the nacelle may have a width

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de forage directionnel comportant un arbre (5) entraîné en rotation, un outil de forage (3) entraîné en rotation par l'arbre, un corps tubulaire (7) coaxial et solidarisé à l'arbre par une de ses extrémités et procurant un espace annulaire défini entre l'arbre et l'intérieure du corps (7). Dans le dispositif, la liaison entre l'autre extrémité du corps et l'arbre est une rotule, et une nacelle (11) mobile en rotation autour de l'arbre est disposée dans l'espace annulaire et coopère avec des moyens de flexion de l'arbre (5).

Description

DISPOSITIF DE FORAGE DIRECTIONNEL ROTARY
COMPORTANT UN MOYEN DE FLEXION STABILISE
La présente invention concerne le domaine du forage dirigé, par exemple
pour le forage de puits d'exploration ou d'exploitation pétrolière, onshore ou
offshore, d'exploitation minière ou de sources géothermiques. En particulier, le
dispositif de la présente invention s'applique au forage rotary, c'est à dire à la
technique qui consiste à faire tourner l'outil destructeur de la roche par
l'intermédiaire de la garniture de tiges de forage et d'un moyen de mise en
rotation situé sur l'appareil de forage en surface, par exemple table de rotation
ou tête d'injection motorisée (« power swivel »). Cependant, l'invention n'exclut
pas l'usage d'un moteur de fond (turbine ou moteur volumétrique) placé dans
la garniture de forage.
On connaît, dans la profession de foreur, des techniques pour contrôler
la trajectoire d'un puits foré. Une première technique est d'utiliser un moteur
de fond qui entraîne en rotation l'outil de forage grâce à l'énergie prélevée sur le fluide de forage en circulation. Ainsi, le forage peut progresser sans
nécessiter de rotation de l'ensemble des tiges de forage, mais par glissement
longitudinal (sliding) en fonction de la vitesse d'avancement. Dans le voisinage
de l'outil de forage, un raccord coudé (bent sub), pouvant également être intégré au moteur de fond (bent housing), décale l'axe de rotation de l'outil par rapport à l'axe principal longitudinal de la garniture de forage, en particulier celui des masses-tiges (drill collar). Ce décalage fait effectuer une trajectoire
déviée au forage. L'orientation du raccord coudé dans l'espace permet de
contrôler la direction.
Mais une telle technique présente des inconvénients pour l'opération de
forage elle même, notamment en ce qu'elle impose l'arrêt de la rotation de la
garniture de forage, ce qui est préjudiciable pour la vitesse d'exécution, la
qualité et la sécurité du puits, en particulier dans le cas de forage fortement
dévié, ou horizontal.
On connaît aussi, notamment par le document EP-0209318 Bl, des
moyens de forages déviés opérationnels en forage rotary. Ce document, ici cité en référence, utilise le principe d'un élément tubulaire situé proche de l'outil
de forage, concentrique extérieurement à la garniture de forage au bout de
laquelle est fixé l'outil destructeur de la roche. Ledit élément tubulaire est
libre en rotation autour de la garniture grâce à des paliers de roulement et peut être maintenu sensiblement fixe en rotation par rapport au terrain, par
exemple par des lames de ressort. Entre l'arbre rotatif interne et l'intérieur de
l'élément tubulaire, on place des moyens de flexion de l'arbre rotatif constitués
par des coussins gonflés par un fluide sous pression.
La présente invention a pour objet de décrire un autre dispositif utilisant la flexion d'un arbre rotatif, présentant d'autres avantages, par
exemple de facilité de construction, de meilleure tenue à la température, de miniaturisation, et dont le corps extérieur est entraîné en rotation avec l'outil
de forage.
Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de forage directionnel
comportant un arbre entraîné en rotation, un outil de forage entraîné en
rotation par l'arbre, un corps tubulaire coaxial et solidarisé à l'arbre par une
de ses extrémités et procurant un espace annulaire défini entre l'arbre et
l'intérieur du corps. Selon l'invention, la liaison entre l'autre extrémité du
corps et l'arbre est une rotule, et une nacelle mobile en rotation autour de
l'arbre est disposée dans l'espace annulaire et coopère avec des moyens de
flexion de l'arbre.
La nacelle peut comporter des moyens de mise en rotation dans le sens
contraire à la rotation de l'arbre. La nacelle peut comporter des moyens électroniques pour commander et
repérer la stabilisation de la position de la nacelle par rapport à un repère fixe
déterminé.
Les moyens de flexion peuvent être mobiles en rotation avec la nacelle.
Les moyens de flexion peuvent comporter plusieurs chambres étanches
réparties autour de la circonférence de l'arbre et entraînées en rotation avec
l'arbre. L'énergie nécessaire au fonctionnement peut être fournie par une turbine placé dans un canal interne à l'arbre, un système de batterie peut
aussi être utilisé.
Le dispositif peut comprendre des moyens de transmission et de
réception d'au moins un signal entre la surface du sol et le dispositif, le signal étant au moins l'une des données suivantes : la localisation du dispositif, une
commande de flexion, une consigne de position de la nacelle, ou une mesure
liée à un paramètre de forage.
Les moyens de transmission et de réception peuvent communiquer avec
des moyens électroniques embarqués dans ladite nacelle.
Les moyens de transmission et de réception peuvent communiquer avec
un ensemble de transmission relais qui communique avec la surface.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages
apparaîtront plus clairement à la lecture de la description des exemples,
nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 montre schématiquement le principe du dispositif selon
l'invention,
- la figure 2 montre une réalisation de moyens de flexion par patin,
- les figures 3A et 3B montrent schématiquement en coupes une autre réalisation de moyens de flexion du dispositif selon l'invention, La figure 1 montre en coupe un dispositif 1 de contrôle de la déviation
d'un forage. Ce dispositif 1 est fixé à l'extrémité d'une garniture de forage 2,
constituée de tiges et de masses-tiges. Un outil de forage 3 est vissé au bout d'un arbre 5 solidairement lié à la garniture de forage 2 par le moyen de
connexion 6. L'outil 3 fore par rotation un puits, laquelle rotation lui est
transmise par l'arbre 5 du dispositif 1 et la rotation de l'ensemble de la
garniture de forage 2. Le dispositif de déviation 1 comporte un corps extérieur 7 coopérant avec
l'arbre 5 par des moyens de liaisons et de rotule 8 et 9 à ses deux extrémités.
Les moyens de liaisons 8 sont de type filetage, sertissage, ou assemblage par
vis, ou équivalents. Ainsi le corps extérieur 7 est solidairement lié à l'arbre 5.
Les moyens de liaison 9, à l'autre extrémité du corps extérieur 7, sont du type
rotule pour permettre le désaxage de l'outil de forage dans toutes les
directions.
Ainsi, le dispositif comprend un espace annulaire 10 compris entre
l'arbre 5 et la surface intérieure du corps 7.
C'est dans cet espace annulaire que l'on place deux ensembles : une nacelle 11 et des moyens de flexion 12. La nacelle 11 est montée sur des
moyens de roulements 13 de façon à pouvoir être en mouvement de rotation
relativement au corps 7 et l'arbre 5. Le principe de la présente invention est de
faire tourner la nacelle autour de l'axe du dispositif avec la même vitesse que celle de la rotation de l'ensemble du dispositif, c'est à dire la vitesse de rotation
de l'outil de forage, mais en sens contraire. La nacelle peut ainsi prendre une
position stabilisée par rapport au puits foré, grâce à des capteurs
électroniques, et coopérer avec l'ensemble des moyens de flexion 12 pour
appliquer une force de flexion dans un plan de direction déterminée, par
rapport à la direction du forage, afin de diriger le décalage axial de la face de l'outil de forage.
Les moyens 12 de flexion de l'arbre 5 coopèrent avec l'intérieur du corps
7 et l'extérieur de l'arbre 5 pour appliquer une force transversale sur l'arbre 5
de façon à le déformer en flexion. La conséquence de cette déformée de l'arbre
est que l'axe de l'outil 3 est décalé d'un certain angle par rapport à la direction principale du puits. Selon l'orientation du plan de flexion par rapport à l'espace
fixe, la trajectoire du puits peut être dirigée.
II est clair qu'un des avantages du dispositif 1 selon l'invention est qu'il
est entièrement entraîné en rotation avec l'outil de forage, et que l'on opère
donc une garniture de forage typiquement rotary.
Un ensemble de capteurs de localisation 14 permet d'obtenir en temps
réel les coordonnées du puits, ce qui autorise l'envoi d'une commande
correspondante pour obtenir une flexion ou non de l'arbre. Une transmission 27, par exemple électromagnétique ou par pulsation dans la boue, doit se faire avec la surface. La transmission peut se faire directement vers la surface ou vers un appareil relais situé un peu plus haut dans la garniture, l'appareil
relais étant chargé de la transmission longue distance vers la surface.
Sur la figure 1, on a représenté des moyens de génération d'énergie 15 placés dans le canal 16 où circule le fluide de forage. On utilise, par exemple
une turbine qui peut entraîner une pompe hydraulique et/ou un générateur
d'électricité. L'ensemble 11 comporte un joint rotatif 17 permettant le
transport de l'énergie sous forme hydraulique fournie par la turbine 15 vers la
nacelle en mouvement rotatif. De préférence, on utilisera des circuits hydrauliques qui sont plus facilement réalisables dans cet environnement du
forage. Cependant, la présente invention pourrait comprendre des moyens de
commande mixtes électro-hydrauliques ou totalement électriques ou
hydrauliques.
La nacelle porte plusieurs éléments fonctionnels : des capteurs de repérage de sa position par rapport à l'espace fixe, des moyens électroniques de
transmission et/ou de réception de la consigne imposée en fonction de la
direction effective du forage, des moyens de contrôle et de commande de la
rotation de la nacelle et des moyens de flexion. Tous ces éléments fonctionnels
sont schématiquement rassemblés dans l'éléments référencé 18. Un moteur 19 gère la vitesse de rotation de la nacelle par l'intermédiaire d'un système
d'engrenages 20 entre la nacelle et l'arbre 5.
La figure 2 représente une coupe transversale au niveau des moyens de
flexion 12. Dans cette variante, les moyens de flexion sont solidaires de la nacelle 11 et tournent avec ladite nacelle. La réalisation de la figure 2 illustre le principe d'un patin 21 coulissant dans une chemise 22 en fonction d'une
pression hydraulique fournie par le fluide contenue dans la chambre 23. Le
patin 21 s'applique sur le corps 7 par l'intermédiaire de paliers de roulement
24. Egalement, le corps 22 de la chemise est en contact avec l'arbre 5 par
l'intermédiaire de paliers de roulement 25. Un conduit 26 en relation avec
l'élément 18 de commande amène le fluide sous pression dans la chambre 23.
Les figures 3A et 3B illustrent un autre mode de réalisation des moyens
de flexion 12. Dans cette variante, les moyens de flexion ne sont pas liés en
rotation avec la nacelle, mais sont fixes par rapport au corps 7. La figure 3A
est une coupe des moyens de flexion à glissières. L'arbre 5 est traversé
longitudinalement par un conduit 16 permettant la circulation du fluide de
forage. Un mandrin 30, concentrique à l'arbre 5, comporte des fentes 31
réparties régulièrement sur la circonférence dudit mandrin. Ici, dix fentes ont
été représentées espacées de 36 degrés. Des palettes ou glissières 32 sont placées dans les fentes 31. Cette disposition aménage dix chambres 33. Des
plaques transversales (non représentées sur cette figure) ferment ces chambres
aux deux extrémités du mandrin 30. Bien entendu, des moyens d'étanchéités,
selon des techniques connues de l'homme du métier, rendent closes ces chambres par l'étanchéité des glissières ou palettes 32 sur la surface interne
34 du corps 7, des glissières ou palettes 32 dans les fentes 31, des deux extrémités des palettes ou glissières 32 avec les plaques transversales de
fermeture en bout de mandrin.
Le principe de l'invention est donc apparent sur la figure 3A où l'on a
représenté la présence d'un fluide sous pression dans une chambre ce qui
procure une force radiale résultante sur l'arbre 5 et donc un effort de flexion
entraînant une déflexion figurée sur la figure 3A. La profondeur des fentes 31
est telle qu'elle autorise le jeu radial des palettes ou glissières 32 en fonction
de la flexion de l'arbre 5. Des moyens de rappel sont disposés au fond des
fentes pour appliquer les glissières contre la paroi 34.
La figure 3B montre schématiquement les moyens de flexion 11 en
coupe longitudinale le long d'une glissière 32 encadrée par deux plaques transversales 35 et 36. La plaque 35 en contact glissant avec une face de la
nacelle 11 fait office de distributeur de fluide sous pression par l'orifice 37 qui
correspond à une des chambres 33. A chaque fois que le conduit hydraulique
26 de la nacelle est en coïncidence avec un orifice 37, la chambre
correspondante est mise sous pression et une force de flexion est appliqué à
l'arbre. Lorsque le conduit 26 se présente devant une autre chambre, la précédente chambre pressurisée se purge, par exemple directement dans
l'espace annulaire 10. D'autres moyens de purge sont possibles et à la portée
d'un homme du métier, par exemple la nacelle peut avoir une largeur
suffisante pour recouvrir plusieurs chambres, et ainsi permettre de disposer , d'un conduit de purge.

Claims

REVENDICATIONS
1) Dispositif de forage directionnel comportant un arbre (5) entraîné en
rotation, un outil de forage (3) entraîné en rotation par ledit arbre,
un corps tubulaire (7) coaxial et solidarisé audit arbre par une de ses
extrémités et procurant un espace annulaire défini entre ledit arbre et l'intérieur dudit corps (7), caractérisé en ce que la liaison entre
l'autre extrémité du corps et l'arbre est une rotule, en ce qu'une
nacelle mobile en rotation autour dudit arbre est disposée dans ledit
espace annulaire et coopère avec des moyens de flexion de l'arbre (5).
2) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ladite nacelle
comporte des moyens de mise en rotation dans le sens contraire à la
rotation de l'arbre.
3) Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ladite nacelle
comporte des moyens électroniques pour commander la stabilisation de la position de la nacelle par rapport à un repère fixe déterminé.
4) Dispositif selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens de
flexion sont mobiles en rotation avec la nacelle.
5) Dispositif selon la revendication 3, dans lequel lesdits moyens de flexion comportent plusieurs chambres étanches réparties autour de
la circonférence de l'arbre et entraînées en rotation avec l'arbre. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel
l'énergie nécessaire au fonctionnement est fournie par une turbine
placé dans un canal interne à l'arbre.
7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, qui comprend
des moyens de transmission et de réception d'au moins un signal
entre la surface du sol et ledit dispositif, ledit signal étant au moins
l'une des données suivantes : localisation du dispositif, commande de
flexion, consigne de position de la nacelle, ou une mesure liée à un
paramètre de forage.
8) Dispositif selon la revendication 7, dans lequel lesdits moyens de
transmission et de réception communiquent avec des moyens
électroniques embarqués dans ladite nacelle.
9) Dispositif selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel les dits ' moyens de transmission et de réception communiquent avec un
ensemble de transmission relais qui communique avec la surface.
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