WO2012175572A1 - Dispositif de decouplage pour connecter un outil de forage a l'extremite d'une colonne de forage et un systeme de forage comprenant un tel dispositif de decouplage - Google Patents

Dispositif de decouplage pour connecter un outil de forage a l'extremite d'une colonne de forage et un systeme de forage comprenant un tel dispositif de decouplage Download PDF

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WO2012175572A1
WO2012175572A1 PCT/EP2012/061883 EP2012061883W WO2012175572A1 WO 2012175572 A1 WO2012175572 A1 WO 2012175572A1 EP 2012061883 W EP2012061883 W EP 2012061883W WO 2012175572 A1 WO2012175572 A1 WO 2012175572A1
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WO
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washers
decoupling device
drill string
thrust force
drilling
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/061883
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English (en)
Inventor
Sébastian Daniel Jean DESMETTE
Magdy Zaki
Walleed IBRAHIM
Original Assignee
Omni Ip Limited
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Publication date
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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
    • E21B17/07—Telescoping joints for varying drill string lengths; Shock absorbers
    • E21B17/076—Telescoping joints for varying drill string lengths; Shock absorbers between rod or pipe and drill bit
    • 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

Definitions

  • Decoupling device for connecting a drill bit to the end of a drill string and a drilling system
  • the present invention relates to a decoupling device for connecting a drilling tool, such as a drill bit, to the end of a drill string, wherein the decoupling device comprises a first element, with a first end, for connected to the end of the drill string, and a second member, with a second end, for connection to the drill bit, wherein the second member is attached to the first member to allow translation, in a longitudinal direction to make it possible to modify the distance between this first and this second end,
  • the decoupling device is used to connect a drilling tool, such as a drill bit, to the end of a drill string.
  • the assembly consisting of a drilling column and a drill tool connected at its end, is used in the drilling of wells such as wells for the production of petroleum oil. It is possible to directly connect the drill tool, but it can also connect the device to a bottom motor to which is connected the drilling tool, or even to the measuring system (MWD), which is connected to the bottom motor and the drilling tool.
  • MWD measuring system
  • the drill tool is guided to the bottom of the well through the drill string.
  • the drill string pivots and this rotation is transferred to the drill bit.
  • the drill string is used to push the tool of drilling, with sufficient force, against the geological formation to create the well.
  • the quantity of tubes needed to form the drill string is a function of the depth of the well relative to the surface. The deeper the well, the more tubes will be required and the greater the mass of the drill string. If the well is deflected, the amount of tube is also greater. Wells can be strongly deviated (10 km or more) and deep 2 or 3 km “only”.
  • the operator actuates, by means of a control system, during the drilling of the well, the descent of the drill string to adjust this force on the drill. drilling tool.
  • the control system used to control this force includes, for example, a brake at the wellhead.
  • the effect of this measurement is that the drill bit only takes up a small portion of the weight of the drill string.
  • a well-known phenomenon is that the drilling tool attacks geological structures with varying hardness.
  • the variation in the hardness of the geological structures encountered by the drilling tool generates, in the drilling column / drill tool assembly, reactions. These reactions are so important sources of vibration that they can have a great influence on the life of the drill.
  • the present invention aims to limit the high reaction forces and vibrations generated by these reaction forces on the drill bit in the longitudinal direction of the wellbore.
  • the object of the present invention is a decoupling device for connecting a drilling tool, such as a drill bit, to the end of a drill string, wherein the decoupling device comprises a first element, with a first end, intended to be connected to the end of the drill string, and a second element, with a second end, intended to be connected to the drill bit, in which the second element is fixed to the first element to allow a translation, in a longitudinal direction to make it possible to modify the distance between this first and this second end, characterized in that the decoupling device comprises a "pusher" structure for transmitting a thrust force from this first element to this second element, comprising a set of washers
  • the decoupling device in the longitudinal direction of the well, can allow a certain translation of the drilling tool relative to the drill string in order to avoid excessive pressure on the drill. drilling tool and avoid any vibrations exerted on said drilling tool.
  • the reaction force of the geological formation on the drilling tool is self-regulating thanks to the decoupling device.
  • the drilling tool is no longer subjected to repeated extreme reaction efforts and wears out less quickly.
  • An additional technical effect of these measurements is that the drill string and drilling system are subject to less parasitic vibration, which facilitates well drilling control.
  • the force between the first element and the second element of the decoupling device is obtained through the use of a set of washers "Belleville".
  • a reference to “Belleville” washers is already made in the prior art under the name “spring washers” or “spring washers”.
  • the washer “Belleville” is a washer that provides a spring function.
  • One of the important features of the “Belleville” washers is that they have a low cost. They have the advantage of being associated in different ways, which allows not only to obtain the desired stiffness for all, but also to create “variable stiffness” systems.
  • said thrust force is provided with an acceptable tolerance range of at most 20%, but preferably at most 10%, ideally at a maximum of 2%.
  • the device is a decoupling device in which the "pusher" structure comprises a set of "Belleville” washers positioned relative to one another in order to form a column of washers.
  • the various washers "Belleville” are positioned first in one position, the second in a reversed position to the first, the third in the same position as the first, the fourth in the same position as the second and so after. In this way, a spring with a constant "spring” characteristic is obtained.
  • the travel distance between the first and the last washer of a set is maximum.
  • the washers are positioned to obtain a pack of washers.
  • the "pusher" structure comprises a plurality of modules mounted one after the other, in the longitudinal direction, between the first element and the second element, each module being adapted to transfer a part of the the thrust force of this first element to the second element, so that the sum of said parts of the thrust force of the modules is equal to the thrust force of the assembly "pusher".
  • the device is provided with "blocking" elements adapted to block the functionality of at least one module to allow only unblocked modules to transfer the thrust force of the first element to the second element .
  • the blocking system is used to prevent too much compression of the "Belleville” washer. It assures in this way of working only in the zone where the force provided by the washer "Belleville” is constant or substantially constant.
  • a first module can be adapted to absorb a force of up to a maximum of 100,000 newton
  • a second module can absorb a force of up to 150,000 Newton
  • a third module can absorb up to a maximum of 200,000 newton.
  • one or more modules can be adjusted to obtain an optimum force characteristic in the device according to the invention.
  • the modules of the plurality are identical, each of the modules providing an identical part of the thrust force.
  • the modules are different in order to ensure that one of the modules is adapted to transfer a thrust force, with a magnitude other than that of the other modules.
  • each module comprises an inner tube portion, and an outer tube portion surrounding the inner tube portion, and wherein: the outer tube portions are secured one after the other and with the first element,
  • each module transfers said portion of the thrust force to the inner tube portion of said module.
  • the "pusher” structure is housed in an annular volume extending radially between an internal tube, intended to channel at least one fluid inside said inner tube, and an outer tube, secured to the first element and enveloping said structure "pusher".
  • the present invention also relates to a drilling system comprising a decoupling device, according to the invention, and further comprising: a drilling column comprising at least one tube, said drilling column being connected at the first element of the decoupling device,
  • a drilling tool such as a drill bit, for drilling a
  • the drilling tool being connected to the second element of the decoupling device, and
  • the decoupling device comprises at least one displacement sensor making it possible to determine the position of the second element with respect to the first element over time in order to obtain the advance per revolution of the second element relative to the first.
  • the decoupling device comprises a sensor for rotation, measurement of thrust and torque measurement for estimating the resistance of the drilled rock and the degree of wear of the drill bit. thanks to a cut model.
  • the system comprises a decoupling device comprising at least one displacement sensor making it possible to determine a position of the second element with respect to the first element, in which the system comprises a transmission means for transmitting said position of the second member at the retainer for controlling a retaining force of the drill string.
  • the thrust force to the tool is constant, it follows that the state of compression / tension in the drill string / drill string is constant if the surface position is kept constant.
  • the first element of the device therefore has a fixed axial position in the drilled hole. It can therefore be used to measure the axial displacement of the second element, and thus the advance of the drilling tool in the course of time. If a rotation sensor, as well as axial and torsional force sensors are used, it is then possible to estimate the performance of the tool per drilled lathe. We have the advance per turn through the
  • the retaining force of the drill string is increased if the position transmitted to the retaining device indicates that the second element is close to the first element, and the force of the drill string is reduced. if the position transmitted to the retainer indicates that the second member is remote from the first member.
  • FIG. 1 shows, in a schematic way, the use of the device according to the invention during the drilling of a well
  • FIG. 2 shows, in detail, the two elements of the device according to the invention
  • FIG. 3 shows, schematically, all the washers, in "column” configuration
  • FIG. 4 shows, schematically, a set of washers, in "packet" configuration
  • FIG. 5 shows the realization between force and displacement for "Belleville” washers
  • FIG. 6 shows, schematically, the presence of a first, a second and a third module, each module comprising a set of washers
  • FIG. 7 shows a set of washers in the "column" position with, between two elements, an element allowing to limit the displacement of a first washer with respect to a second washer
  • FIG. 8 shows washers of "trapezoidal" shape
  • FIG. 9 shows two washers provided with lips making it possible to limit the deformation of each washer.
  • FIG. 1 shows, schematically, a drilling system 1 according to the invention.
  • the drilling system includes a tower or derrick 2 which are placed on the ground where well 3 is to be installed.
  • an element 4 is provided on the tower 2, an element 4 is provided and makes it possible to connect a first end of a drilling column 5.
  • the upper end of this drilling column 5 is connected to the device 4.
  • the user can, thanks to the device 4 , control the descent and ascent of the drill string 5 inside the wellbore 2.
  • the device 4 is also provided with drive means for rotating the drill string 5.
  • the descent and raising of the drill string 5 is controlled by a retaining device 6 which is directly connected to the device 4, for example through a cable.
  • a drill tool 7 is present at the lower end of the drill string 5.
  • This drill bit 7 can be, for example, a PDC drill bit.
  • PDC drill bit Such a type of drilling allows a relatively easy estimate of the resistance of the rock. In other words, if a PDC drill tool is used, the rock strength estimate can be made while the drill bit is in use.
  • a device 10 according to the invention is interposed between the end of the drill string 5 and the drill bit 7 to ensure that the vibrations generated in the system, consisting of the drill string 5, the drill bit 7 and the intermediate device 10, can be controlled.
  • the presence of the device 10 according to the invention is important compared to the variations in the geological structures in the ground 8, which geological structures are attacked using the drilling tool 7.
  • the mass of the tubes making up the drill string 5 can be very important.
  • the reaction force of the geological formation 8 on the drilling tool 7 may be limited, so as not to exceed, for example , a value of 20 tons. Therefore, the value of the retaining force of the retainer 6 is very large and difficult to control.
  • the management difficulties are also related to the length of the drill string 5 as well as the time required to react, with the retaining device, to the reactions experienced by the drilling tool 7.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the decoupling device 10 according to the invention.
  • the device 10 comprises a first element 1 1 adapted to be connected to the end of the drill string 5 (see Figure 1).
  • the element 1 1 is connected to a second element 12 which, at its end, is adapted to fix the drill bit 7. It is important to note that the second element 12 can be moved in a longitudinal direction indicated under the reference "y".
  • the decoupling device 10 comprises an inner tube 13 for channeling, within said tube 13, at least one fluid.
  • the device 10 comprises an outer tube 14, secured to the first element 1 1 and forming a casing external to the decoupling device 10 on substantially its entire length in the longitudinal direction "y".
  • the inner tube 13 and / or the outer tube 14 may optionally be made by a set of sections to facilitate the mounting of the decoupling device 10.
  • a spring in the form of a set of washers “Belleville”, is provided inside the device 10, in order to adjust the translation of the second element 12 of the device 10, relative to the first element 1 1 of the device 10.
  • the indication "Belleville” washer is used for a type of spring shown in Figures 3 and 4.
  • a first characteristic of "Belleville” washers is that they are used to create a spring function.
  • a second characteristic is that the spring obtained is low cost. It is important that you can produce several types of “Belleville” washers depending on their size.
  • the main dimensions of a “Belleville” washer are shown in FIG. 3.
  • the “Belleville” washer has an inside diameter "d”, an outside diameter “D”, a thickness "e” and an empty height "h”.
  • the dimensions can be chosen to obtain a spring constructed using "Belleville” washers that have a desired deformation.
  • the "Belleville” washers are manufactured and used in a deformation range so that they can ensure, on the drill bit 7, a constant thrust force.
  • This option of keeping the constant thrust force obliges to limit the translations of the element 12 with respect to the element 1 1 (see FIG. 2) so that they are smaller than the maximum displacement allowed by the deformation of the washers used in the device 10.
  • Figure 3 shows a set of washers 20, 21, 22, 23, 24 and 25.
  • Figure 3 also shows a stack of washers in opposition. This means that a relatively large distance is obtained on which different assembled washers can be deformed. The deformation of the washers 20-25 is allowed until the force exerted on all the washers 20-25 is so great that the washers are deformed and obtain their flattened shape.
  • An advantage of the invention lies in the fact that, even if the force exerted on the "Belleville" washers 20-25 is very important, the deformation of the various washers 20-25 can not continue but said washers are pushed on each other without being damaged. When the force is no longer applied to all the washers 20-25, the functionality of the washers is guaranteed and all the washers 20-25 can return to their original shape. In our case, we must make sure that the washer can not compress more than the
  • Figure 4 shows a set of washers "Belleville” configuration "packages".
  • the different washers 25, 26 and 27 are positioned in the same direction.
  • the stiffness towards which the set of washers 25-27 can deform is limited but the characteristics of the springs of the set is very important.
  • the relation between the displacement, that is the deformation, and the force for different types of "Belleville” washers is shown in FIG. 5.
  • Figure 6 shows, schematically, a possible embodiment of a set of washers.
  • Figure 6 shows three modules I, II and III, in which each of the modules comprises a set of washers "Belleville".
  • the configuration according to FIG. 6 can be used for example to adapt the device according to the invention to a specific use.
  • the assembly I can be adapted to, for example, allow a deformation of up to 15 tons (150000 Newton).
  • the assembly II can be adapted to, for example, allow a deformation of up to 15 tons and the assembly III for a deformation of up to 20 tons (200000 Newton).
  • the user needs a set adapted to receive 15 tons (150000 newton), it can for example block the functionality of the modules I and III and take advantage only of the characteristics "spring" of the module II.
  • FIG. 6 A device comprising three modules is shown in FIG. 6. It is possible that the device comprises more than three modules. For example, in order to obtain a 100,000 newton effort, one has to have several modules (8 modules for example), because the efforts achievable in the dimensions studied are not sufficient with a single module.
  • Figures 7, 8 and 9 show different examples of "Belleville" washers with a specific use.
  • FIG. 7 shows two washers 31 and 32 with, between the two, an element 33 making it possible to limit the maximum deformation of the washers 31 and 32.
  • FIG. 8 shows two washers 41 and 42 having a shape
  • FIG. 9 shows two washers 51 and 52 provided, inside them, with lips 61 and 62 adapted to limit as much as possible the deformation to be suffered by the washers 51 and 52.

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Abstract

Dispositif de raccordement (10) pour connecter un outil de forage (7), tel qu'un trépan, à l'extrémité d'une colonne de forage, (5) dans lequel le dispositif de raccordement comprend un premier élément (5), avec une première extrémité, destiné à être connecté à l'extrémité de la colonne de forage, et un deuxième élément (12), avec une deuxième extrémité, destiné à être connecté à l'outil de forage, dans lequel le deuxième élément est fixé au premier élément afin de permettre une translation, dans une direction longitudinale pour permettre de modifier la distance entre cette première et cette deuxième extrémité, caractérisé en ce que le dispositif de raccordement comprend une structure "pousseur" pour transmettre un effort de poussée de ce premier élément vers ce deuxième élément, comprenant un ensemble de rondelles "Belleville" permettant de s'assurer que ledit effort de poussée, de ce premier élément vers le deuxième élément, soit sensiblement constant dans toute position du deuxième élément par rapport au premier élément.

Description

Dispositif de découplage pour connecter un outil de forage à l'extrémité d'une colonne de forage et un système de forage
comprenant un tel dispositif de découplage
La présente invention concerne un dispositif de découplage pour connecter un outil de forage, tel qu'un trépan, à l'extrémité d'une colonne de forage, dans lequel le dispositif de découplage comprend un premier élément, avec une première extrémité, destiné à être connecté à l'extrémité de la colonne de forage, et un deuxième élément, avec une deuxième extrémité, destiné à être connecté à l'outil de forage, dans lequel le deuxième élément est fixé au premier élément afin de permettre une translation, dans une direction longitudinale pour permettre de modifier la distance entre cette première et cette deuxième extrémité,
Le dispositif de découplage selon l'invention est utilisé pour connecter un outil de forage, tel qu'un trépan, à l'extrémité d'une colonne de forage. L'ensemble, composé d'une colonne de forage et d'un outil de forage connecté en son extrémité, est utilisé dans le forage de puits tels que les puits permettant la production d'huile pétrolière. Il est possible de connecter directement l'outil de forage, mais on peut également connecter le dispositif a un moteur de fond auquel est connecte l'outil de forage, voire même au système de mesure (MWD), auquel est connecté le moteur de fond et l'outil de forage.
L'outil de forage est guidé vers le fond du puits grâce à la colonne de forage. La colonne de forage pivote et cette rotation est transférée à l'outil de forage. De plus, la colonne de forage est utilisée pour pousser l'outil de forage, avec suffisamment de force, contre la formation géologique pour créer le puits.
Lors du forage d'un puits, la quantité de tubes nécessaires à la formation de la colonne de forage est fonction de la profondeur du puits par rapport à la surface. Plus le puits est profond, plus la quantité de tubes requise sera importante et plus la masse de la colonne de forage sera importante. Si le puits est dévié, la quantité de tube est également plus importante. On peut avoir des puits fortement dévié (10 km ou plus) et profond de 2 ou 3 km "seulement".
Afin de régler la force exercée avec la colonne de forage sur l'outil de forage, l'opérateur actionne, grâce à un système de contrôle, pendant le forage du puits, la descente de la colonne de forage afin de régler cette force sur l'outil de forage.
Le système de contrôle utilisé pour contrôler cette force comprend, par exemple, un frein en tête du puits. L'effet de cette mesure consiste en ce que l'outil de forage ne reprend alors qu'une faible portion du poids de la colonne de forage.
Un phénomène bien connu est que l'outil de forage attaque des structures géologiques avec une dureté variable. La variation de la dureté des structures géologiques rencontrée par l'outil de forage génère, dans l'ensemble colonne de forage / outil de forage, des réactions. Ces réactions sont des sources de vibration tellement importantes qu'elles peuvent avoir une grande influence sur la durée de vie de l'outil de forage.
Par exemple, lorsque l'outil de forage attaque une roche d'une dureté très supérieure à la dureté moyenne des formations géologiques, celui-ci supporte un effet de réaction très important dans une direction
longitudinale vers la tête du puits. La répétition de ces efforts de réaction provoque une usure de l'outil de forage. Le processus de changement d'un tel outil de forage est relativement long et coûteux. C'est la raison pour laquelle il convient de contrôler le niveau de vibration généré sur l'outil de forage afin d'allonger la durée de vie dudit outil de forage.
La présente invention a pour but de limiter les efforts de réaction élevés et les vibrations générées par ces efforts de réaction sur l'outil de forage dans la direction longitudinale du puits de forage.
L'objet de la présente invention est un dispositif de découplage pour connecter un outil de forage, tel qu'un trépan, à l'extrémité d'une colonne de forage, dans lequel le dispositif de découplage comprend un premier élément, avec une première extrémité, destiné à être connecté à l'extrémité de la colonne de forage, et un deuxième élément, avec une deuxième extrémité, destiné à être connecté à l'outil de forage, dans lequel le deuxième élément est fixé au premier élément afin de permettre une translation, dans une direction longitudinale pour permettre de modifier la distance entre cette première et cette deuxième extrémité, caractérisé en ce que le dispositif de découplage comprend une structure "pousseur" pour transmettre un effort de poussée de ce premier élément vers ce deuxième élément, comprenant un ensemble de rondelles
"Belleville", conçues et utilisées dans leur plage de fonctionnement de telle manière qu'elles permettent d'assurer que ledit effort de poussée, de ce premier élément vers le deuxième élément, soit sensiblement constant dans toute position du deuxième élément par rapport au premier élément. En d'autres termes, dans la direction longitudinale du puits, le dispositif de découplage selon l'invention peut permettre une certaine translation de l'outil de forage par rapport à la colonne de forage afin d'éviter des pressions trop importantes sur l'outil de forage et éviter d'éventuelles vibrations exercées sur ledit outil de forage. De cette manière, l'effort de réaction de la formation géologique sur l'outil de forage est autorégulé grâce au dispositif de découplage. L'outil de forage ne subit plus d'efforts de réaction extrêmes répétés et s'use moins vite. Un effet technique additionnel de ces mesures est le fait que la colonne de forage et le système de forage sont sujets à moins de vibrations parasites, ce qui facilite le contrôle du forage du puits.
Selon l'invention, l'effort entre le premier élément et le deuxième élément du dispositif de découplage est obtenu grâce à l'utilisation d'un ensemble de rondelles "Belleville". Une référence aux rondelles "Belleville" est déjà faite dans l'art antérieur sous la dénomination "rondelles ressort" ou "rondelles élastiques". La rondelle "Belleville" est une rondelle qui assure une fonction ressort. Une des caractéristiques importantes des rondelles "Belleville" réside dans le fait que celles-ci ont un faible coût. Elles présentent l'avantage de pouvoir être associées de différentes manières, ce qui permet non seulement d'obtenir la raideur souhaitée pour l'ensemble, mais encore de créer des systèmes à "raideur variable".
Selon un mode de réalisation préféré, ledit effort de poussée est assuré avec une fourchette de tolérance acceptable de maximum 20 %, mais préférablement de maximum 10 %, idéalement d'un maximum de 2 %. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif est un dispositif de découplage dans lequel la structure "pousseur" comprend un ensemble de rondelles "Belleville" positionnées les unes par rapport aux autres afin de former une colonne de rondelles.
Dans cette configuration, les différentes rondelles "Belleville" sont positionnées la première dans une position, la deuxième dans une position inversée à la première, la troisième dans la même position que la première, la quatrième dans la même position que le deuxième et ainsi de suite. De cette manière, on obtient un ressort offrant une caractéristique de "ressort" constant. Dans une configuration "colonne", la distance de déplacement entre la première et la dernière rondelle d'un ensemble est maximale. Selon un mode de réalisation préféré, les rondelles sont positionnées afin d'obtenir un paquet de rondelles.
Dans la configuration "paquet", toutes les rondelles sont positionnées l'une après l'autre dans le même sens. De cette manière, on obtient un ressort d'une très grande résistance et la distance de déplacement entre la première et la dernière rondelle d'un ensemble est minimale.
Selon un mode de réalisation préféré, la structure "pousseur" comprend une pluralité de modules montés les uns à la suite des autres, dans la direction longitudinale, entre le premier élément et le deuxième élément, chaque module étant adapté pour transférer une partie de l'effort de poussée de ce premier élément vers ce deuxième élément, afin que la somme desdites parties de l'effort de poussée des modules soit égale à l'effort de poussée de l'ensemble "pousseur". Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif est pourvu d'éléments "bloqueurs" adaptés pour bloquer la fonctionnalité d'au moins un module afin de permettre uniquement aux modules non bloqués de transférer l'effort de poussée du premier élément vers le deuxième élément.
Le système bloqueur est utilisé pour éviter une trop grande compression de la rondelle "Belleville". Elle assure de cette manière de travailler uniquement dans la zone où l'effort fourni par la rondelle "Belleville" est constant ou sensiblement constant. Par exemple, un premier module peut être adapté afin d'absorber une force allant jusqu'à un maximum de 100 000 newton, un deuxième module pouvant absorber une force allant jusqu'à un maximum de 150 000 newton et un troisième module pouvant absorber une force allant jusqu'à un maximum de 200 000 newton.
En fonction des structures géologiques dans lesquelles l'outil de forage doit procéder au forage d'un puits, un ou plusieurs modules peuvent être réglés afin d'obtenir une caractéristique de force optimale dans le dispositif selon l'invention.
Selon un mode de réalisation préféré, les modules de la pluralité sont identiques, chacun des modules fournissant une partie identique de l'effort de poussée. Selon un mode de réalisation préféré, les modules sont différents afin de s'assurer qu'un des modules soit adapté pour transférer un effort de poussée, avec une autre magnitude que celle des autres modules. Selon un mode de réalisation préféré, chaque module comprend une portion de tube interne, et une portion de tube externe entourant la portion de tube interne, et dans lequel : - les portions de tube externe sont solidarisées les unes à la suite des autres et avec le premier élément,
les portions de tube interne sont solidarisées les unes à la suite des autres et avec le deuxième élément, et chaque module transfère ladite partie de l'effort de poussée à la portion de tube interne dudit module.
Selon un mode de réalisation préféré, la structure « pousseur » est logée dans un volume annulaire s'étendant radialement entre un tube interne, destiné à canaliser au moins un fluide à l'intérieur dudit tube interne, et un tube externe, solidarisé avec le premier élément et enveloppant ladite structure "pousseur".
Selon un deuxième aspect de l'invention, la présente invention concerne également un système de forage comprenant un dispositif de découplage, selon l'invention, et comprenant en outre : une colonne de forage comprenant au moins un tube, ladite colonne de forage étant reliée au premier élément du dispositif de découplage,
- un outil de forage, tel qu'un trépan, destiné à forer une
formation géologique, l'outil de forage étant relié au deuxième élément du dispositif de découplage, et
un dispositif de retenue de la colonne de forage, en tête du puits de forage, adapté pour contrôler la descente et la remontée de la colonne de forage dans le puits de forage. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif de découplage comprend au moins un capteur de déplacement permettant de déterminer la position du deuxième élément par rapport au premier élément au cours du temps afin d'obtenir l'avance par tour du deuxième élément par rapport au premier.
Selon un mode de réalisation préféré, lequel le dispositif de découplage comprend un capteur de rotation, de mesure de poussée et de mesure de couple permettant d'estimer la résistance de la roche forée ainsi que le degré d'usure de l'outil de forage grâce à un modèle de coupe.
Selon un mode de réalisation préféré, le système selon l'invention comprend un dispositif de découplage comportant au moins un capteur de déplacement permettant de déterminer une position du deuxième élément par rapport au premier élément, dans lequel le système comprend un moyen de transmission pour transmettre ladite position du deuxième élément au dispositif de retenue pour contrôler un effort de retenue de la colonne de forage. Etant donné que l'effort de poussée à l'outil est constant, il en ressort que l'état de compression/tension dans le train de tige/colonne de forage est constant si la position en surface est maintenue constante. Le premier élément du dispositif a donc une position fixe axiale dans le trou foré. On peut donc l'utiliser pour mesurer le déplacement axial du deuxième élément, et donc l'avance de l'outil de forage au cours de temps. Si on utilise un capteur de rotation, ainsi que des capteurs de force axiale et torsionnelle, il est alors possible d'estimer la performance de l'outil par tour foré. On a en effet l'avance par tour a travers le
déplacement axial du deuxième élément et la vitesse de rotation de l'outil de forage. On a également le couple de forage et l'effort de poussée. On peut facilement ensuite calculer la performance et l'efficacité de l'outil de forage. A partir de ce modèle de coupe bien connu de l'homme du métier, il est également possible d'estimer la résistance de la roche forée, ainsi que l'état d'usure de l'outil de forage.
Selon un mode de réalisation préféré, l'effort de retenue de la colonne de forage est augmenté si la position transmise au dispositif de retenue indique que le deuxième élément est à proximité du premier élément, et l'effort de la colonne de forage est réduit si la position transmise au dispositif de retenue indique que le deuxième élément est éloigné du premier élément.
La présente invention et les divers avantages liés à cette invention seront mieux appréciés à la lecture qui suit en faisant référence aux figures dans lesquelles : la figure 1 montre, de façon schématique, l'utilisation du dispositif selon l'invention pendant le forage d'un puits, la figure 2 montre, en détail, les deux éléments du dispositif selon l'invention,
la figure 3 montre, de façon schématique, l'ensemble des rondelles, en configuration "colonne",
la figure 4 montre, de façon schématique, un ensemble de rondelles, en configuration "paquet",
la figure 5 montre la réalisation entre force et déplacement pour des rondelles "Belleville",
la figure 6 montre, de façon schématique, la présence d'un premier, d'un deuxième et d'un troisième module, chaque module comprenant un ensemble de rondelles, la figure 7 montre un ensemble de rondelles en position "colonne" avec, entre deux éléments, un élément permettant de limiter le déplacement d'une première rondelle par rapport à une deuxième rondelle,
la figure 8 montre des rondelles de forme "trapézoïdale" ; et la figure 9 montre deux rondelles pourvues de lèvres permettant de limiter la déformation de chaque rondelle.
La figure 1 montre, de façon schématique, un système de forage 1 selon l'invention. Le système de forage comprend une tour ou derrick 2 qui sont placés sur le sol à l'endroit où le puits 3 doit être installé.
Sur la tour 2, un élément 4 est fourni et permet de connecter une première extrémité d'une colonne de forage 5. L'extrémité supérieure de cette colonne de forage 5 est connectée au dispositif 4. L'utilisateur peut, grâce au dispositif 4, contrôler la descente et la remontée de la colonne de forage 5 à l'intérieur du puits de forage 2.
Le dispositif 4 est également pourvu de moyens d'entraînement afin de mettre en rotation la colonne de forage 5. La descente et la remontée de la colonne de forage 5 est contrôlée grâce à un dispositif de retenue 6 qu est directement connecté au dispositif 4, par exemple grâce à un câble.
Un outil de forage 7 est présent à l'extrémité inférieure de la colonne de forage 5. Cet outil de forage 7 peut être, par exemple, un outil de forage de type PDC. Un tel type de forage permet une estimation relativement aisée de la résistance de la roche. En d'autres termes, si l'on utilise un outil de forage de type PDC, l'estimation de résistance de la roche peut être effectuée pendant que l'outil de forage est en cours d'utilisation. Un dispositif 10 selon l'invention est interposé, entre l'extrémité de la colonne de forage 5 et l'outil de forage 7, afin de s'assurer que les vibrations générées dans le système, composé de la colonne de forage 5, de l'outil de forage 7 et du dispositif intermédiaire 10, puissent être contrôlées.
La présence du dispositif 10 selon l'invention est importante par rapport aux variations dans les structures géologiques dans le sol 8, lesquelles structures géologiques sont attaquées en utilisant l'outil de forage 7.
En pratique, la masse des tubes composant la colonne de forage 5 peut être très importante. Pour un fonctionnement optimal et afin de gérer convenablement l'usure de l'outil de forage 7, l'effort de réaction de la formation géologique 8 sur l'outil de forage 7 peut être limité, ce afin de ne pas dépasser, par exemple, une valeur de 20 tonnes. Par conséquent, la valeur de l'effort de retenue du dispositif de retenue 6 a une valeur très grande et est difficile à contrôler.
Les difficultés de gestion sont également liées à la longueur de la colonne de forage 5 ainsi qu'au laps de temps nécessaire pour réagir, avec le dispositif de retenue, aux réactions subies par l'outil de forage 7. Les vibrations, les efforts réactifs générés par l'impact de l'outil de forage 7 sur la formation géologique 8, lors de l'utilisation du système 1 selon l'invention, se propagent par les tubes depuis le fond du puits jusqu'à la tour 2 du système 1 . Ces vibrations, ces efforts réactifs sont, en règle générale, utilisés pour contrôler la valeur de l'effort de retenue.
Cependant, une telle propagation peut se diffuser sur un laps de temps élevé, par exemple supérieur à 30 secondes pour les efforts de torsion par exemple. Le contrôle au niveau du dispositif de retenue 6 ne peut être effectué qu'avec un retard important, ce qui augmente la difficulté de contrôle de l'effort de retenue. La figure 2 présente un mode de réalisation du dispositif de découplage 10 selon l'invention. Le dispositif 10 comprend un premier élément 1 1 adapté pour être connecté à l'extrémité de la colonne de forage 5 (voir figure 1 ). L'élément 1 1 est connecté à un deuxième élément 12 qui, en son extrémité, est adapté pour fixer l'outil de forage 7. Il est important de noter que le deuxième élément 12 peut être déplacé dans une direction longitudinale indiquée sous la référence "y". Cette possibilité de translation dans une direction "y" permet la modification de la longueur maximale, indiquée sous la référence "x" du dispositif 10 selon l'invention. Grâce à cette modification de la longueur, le dispositif peut réagir par rapport aux réactions subies par l'outil de forage 7 et générées par la formation géologique 8.
Le dispositif de découplage 10 selon la figure 2 comprend un tube interne 13 destiné à canaliser, à l'intérieur dudit tube 13, au moins un fluide. De plus, le dispositif 10 comprend un tube externe 14, solidarisé avec le premier élément 1 1 et formant une enveloppe externe au dispositif de découplage 10 sur, sensiblement, toute sa longueur dans la direction longitudinale "y". Le tube interne 13 et/ou le tube externe 14 peuvent éventuellement être réalisés par un ensemble de tronçons afin de faciliter le montage du dispositif de découplage 10.
Un ressort, sous forme d'un ensemble de rondelles "Belleville", est prévu à l'intérieur du dispositif 10, afin de régler la translation du deuxième élément 12 du dispositif 10, par rapport au premier élément 1 1 du dispositif 10. Dans le présent texte, l'indication rondelle "Belleville" est utilisée pour un type de ressort montré en figures 3 et 4.
Une première caractéristique des rondelles "Belleville" est qu'elles sont utilisées pour créer une fonction de ressort. Une deuxième caractéristique est que le ressort obtenu est de faible coût. Il est important que l'on puisse produire plusieurs types de rondelles "Belleville" en fonction de leur dimension. Les dimensions principales d'une rondelle "Belleville" sont montrées en figure 3. La rondelle "Belleville" présente un diamètre intérieur "d", un diamètre extérieur "D", une épaisseur "e" et une hauteur à vide "h".
Les dimensions peuvent être choisies afin d'obtenir un ressort construit à l'aide de rondelles "Belleville" qui présentent une déformation souhaitée. Selon l'invention, les rondelles "Belleville" sont fabriquées et utilisées dans une plage de déformation de manière à ce qu'elles puissent assurer, sur l'outil de forage 7, un effort de poussée constant. Cela signifie que le déplacement de l'élément 12 par rapport à l'élément 1 1 doit être réaliser en conservant l'effort de poussée de l'outil de forage 7 sur la structure géologique (voir figure 1 ) qui doit rester sensiblement continu. Cette option de conserver l'effort de poussée constant oblige à limiter les translations de l'élément 12 par rapport à l'élément 1 1 (voir figure 2) afin qu'elles soient inférieures au déplacement maximal autorisé par la déformation des rondelles utilisées dans le dispositif 10.
La figure 3 montre un ensemble de rondelles 20, 21 , 22, 23, 24 et 25. La figure 3 montre également un empilement de rondelles en opposition. Cela signifie qu'une distance relativement importante est obtenue sur laquelle différentes rondelles assemblées peuvent être déformées. La déformation des rondelles 20-25 est autorisée jusqu'à ce que la force, exercée sur l'ensemble des rondelles 20-25, soit tellement importante que les rondelles sont déformées et obtenir leur forme aplatie.
Un avantage de l'invention réside dans le fait que, même si la force exercée sur les rondelles "Belleville" 20-25 est très importante, la déformation des différentes rondelles 20-25 ne peut plus continuer mais lesdites rondelles sont poussées les unes sur les autres sans pour autant s'abîmer. Lorsque la force ne s'exerce plus sur l'ensemble des rondelles 20-25, la fonctionnalité des rondelles est garantie et l'ensemble des rondelles 20-25 peut reprendre sa forme initiale. Dans notre cas, on doit s'assurer que la rondelle ne peut pas se comprimer plus que la
déformation maximale qui lui assure toujours un effort constant.
La figure 4 montre un ensemble de rondelles "Belleville" en configuration "paquets". Les différentes rondelles 25, 26 et 27 sont positionnées dans le même sens. La raideur vers laquelle l'ensemble des rondelles 25-27 peut se déformer est limitée mais les caractéristiques des ressorts de l'ensemble est très importante. La relation entre le déplacement, c'est-à-dire la déformation, et la force pour différents types de rondelles "Belleville" est montrée en figure 5. Pour le dispositif de découplage selon l'invention, il convient de s'assurer que la rondelle ne peut pas se comprimer plus que la déformation maximale qui lui assure toujours un effort constant.
Le fonctionnement des rondelles "Belleville" est montré en figure 5, notamment la zone 80 où l'effort de poussée est constant pour une certaine déformation. Cela signifie que dans le cas où un type de rondelle "Belleville" est choisi avec une caractéristique force/déplacement selon la ligne 81 , une déformation se trouvant à l'intérieur de l'ovale 80 est acceptable afin de s'assurer que la poussée est constante pendant la déformation indiquée à l'aide de cet ovale 80.
Dans la pratique et lors de l'utilisation de la présente invention, une fourchette de tolérance peut être acceptée dès lors qu'elle se situe entre 20 et 50 %. Le plus avantageux serait d'accepter une fourchette de tolérance comprise entre 5 et 10 %. Idéalement, la fourchette de tolérance la plus adéquate se situe autour de 2 %. La figure 6 montre, de façon schématique, un mode de réalisation possible d'un ensemble de rondelles. La figure 6 montre trois modules I, Il et III, dans lesquels chacun des modules comprend un ensemble de rondelles "Belleville". La configuration selon la figure 6 peut être utilisée par exemple pour adapter le dispositif selon l'invention à une utilisation spécifique. L'ensemble I peut être adapté pour, par exemple, permettre une déformation allant jusqu'à 15 tonnes (150000 Newton). L'ensemble II peut être adapté pour, par exemple, permettre une déformation allant jusqu'à 15 tonnes et l'ensemble III pour une déformation allant jusqu'à 20 tonnes (200000 Newton). Dans le cas où l'utilisateur a besoin d'un ensemble adapté pour recevoir 15 tonnes (150000 newton), il peut par exemple bloquer la fonctionnalité du module I et III et profiter seulement des caractéristiques "ressort" du module II.
Un dispositif comprenant trois modules est montré en figure 6. Il est possible que dispositif comprenne plus de trois modules. Par exemple, afin d'obtenir un effort de 100 000 newton, on est obligé de disposer de plusieurs modules (8 modules par exemple), car les efforts réalisables dans les dimensions étudiées ne sont pas suffisants avec un seul module. Les figures 7, 8 et 9 montrent différents exemples de rondelles "Belleville" avec une utilisation spécifique.
La figure 7 montre deux rondelles 31 et 32 avec, entre les deux, un élément 33 permettant de limiter la déformation maximale des rondelles 31 et 32. La figure 8 montre deux rondelles 41 et 42 présentant une forme
"trapézoïdale". La figure 9 montre deux rondelles 51 et 52 pourvues, en leur intérieur, de lèvres 61 et 62 adaptées pour limiter au maximum la déformation à subir par les rondelles 51 et 52.

Claims

Revendications
Dispositif de découplage pour connecter un outil de forage, tel qu'un trépan, à l'extrémité d'une colonne de forage, dans lequel le dispositif de découplage comprend un premier élément, avec une première extrémité, destiné à être connecté à l'extrémité de la colonne de forage, et un deuxième élément, avec une deuxième extrémité, destiné à être connecté à l'outil de forage, dans lequel le deuxième élément est fixé au premier élément afin de permettre une translation, dans une direction
longitudinale pour permettre de modifier la distance entre cette première et cette deuxième extrémité, caractérisé en ce que le dispositif de découplage comprend une structure « pousseur » pour transmettre un effort de poussée de ce premier élément vers ce deuxième élément, comprenant un ensemble de rondelles "Belleville", conçues et utilisées dans leur plage de fonctionnement de telle manière qu'elles permettent d'assurer que ledit effort de poussée, de ce premier élément vers le deuxième élément, soit sensiblement constant dans toute position du deuxième élément par rapport au premier élément.
Dispositif de découplage selon la revendication 1 , dans lequel ledit effort de poussée est assuré avec une fourchette de tolérance acceptable de maximum 20 %, mais de préférence d'un maximum de 10 %, idéalement d'un maximum de 2 %.
Dispositif de découplage selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la structure "pousseur" comprend un ensemble de rondelles "Belleville" positionnées les unes par rapport aux autres afin de former une colonne de rondelles.
Dispositif de découplage selon la revendication 3, dans lequel les rondelles sont positionnées les unes par rapport aux autres afin d'obtenir un paquet de rondelles.
Dispositif de découplage selon la revendication 2, dans lequel les rondelles sont positionnées les unes par rapport aux autres afin d'obtenir des colonnes de paquets de rondelles.
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la structure "pousseur" comprend une pluralité de modules montés les uns à la suite des autres, dans la direction longitudinale, entre le premier élément et le deuxième élément, chaque module étant adapté pour transférer une partie de l'effort de poussée de ce premier élément vers ce deuxième élément, afin que la somme desdites parties de l'effort de poussée des modules soit égale à l'effort de poussée de l'ensemble
"pousseur".
Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le dispositif est pourvu d'éléments "bloqueurs" adaptés pour bloquer la fonctionnalité d'au moins un module afin de permettre uniquement aux modules non bloqués de transférer l'effort de poussée du premier élément vers le deuxième élément.
8. Dispositif de découplage selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les modules de la pluralité sont identiques, chacun des modules fournissant une partie identique de l'effort de poussée. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel les modules sont différents afin de s'assurer qu'un des modules soit adapté pour transférer un effort de poussée, avec une autre magnitude que celle des autres modules.
Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel chaque module comprend une portion de tube interne, et une portion de tube externe entourant la portion de tube interne, et dans lequel : les portions de tube externe sont solidarisées les unes à la suite des autres et avec le premier élément,
les portions de tube interne sont solidarisées les unes à la suite des autres et avec le deuxième élément, et
chaque module transfère ladite partie de l'effort de poussée à la portion de tube interne dudit module.
Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la structure "pousseur" est logée dans un volume annulaire s'étendant radialement entre un tube interne, destiné à canaliser au moins un fluide à l'intérieur dudit tube interne, et un tube externe, solidarisé avec le premier élément et enveloppant ladite structure "pousseur".
12. Système de forage comprenant un dispositif de découplage, selon l'une des revendications 1 à 1 1 , et comprenant en outre une colonne de forage comprenant au moins un tube, ladite colonne de forage étant reliée au premier élément du dispositif de
découplage,
un outil de forage, tel qu'un trépan, destiné à forer une formation géologique, l'outil de forage étant relié au deuxième élément du dispositif de découplage, et un dispositif de retenue de la colonne de forage, en tête du puits de forage, adapté pour contrôler la descente et la remontée de la colonne de forage dans le puits de forage.
Système selon la revendication 12, dans lequel le dispositif de découplage comprend au moins un capteur de déplacement permettant de déterminer la position du deuxième élément par rapport au premier élément au cours du temps afin d'obtenir l'avance par tour du deuxième élément par rapport au premier.
Système selon la revendication 13, dans lequel le dispositif de découplage comprend un capteur de rotation, de mesure de poussée et de mesure de couple permettant d'estimer la résistance de la roche forée ainsi que le degré d'usure de l'outil de forage grâce à un modèle de coupe.
Système selon la revendication 12, dans lequel le dispositif de découplage comprend au moins un capteur de déplacement permettant de déterminer une position du deuxième élément par rapport au premier élément, dans lequel le système comprend un moyen de transmission pour transmettre ladite position du deuxième élément au dispositif de retenue pour contrôler un effort de retenue de la colonne de forage.
Système selon la revendication 15, dans lequel l'effort de retenue de la colonne de forage est augmenté si la position transmise au dispositif de retenue indique que le deuxième élément est à proximité du premier élément, et l'effort de la colonne de forage est réduit si la position transmise au dispositif de retenue indique que le deuxième élément est éloigné du premier élément.
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