DISPOSITIF D'ORIENTATION D'OUTILS DE FORAGE

Description

DOMAINE DE L'INVENTION

[0001] La présente invention concerne le domaine des forages. Elle concerne en particulier les forages nécessitant un contrôle de trajectoire, notamment dans les domaines de l'industrie pétrolière et gazière, du génie civil, de la géothermie et plus généralement dans tous les domaines d'intervention sous terrain sans tranchée.

[0002] Dans certains de ces domaines, les systèmes de forage employés peuvent être intégralement mécaniques, ou bien comporter des équipements électroniques. Ces systèmes se définissent sensiblement comme suit:

• Dispositif statique: raccord orientable, encore dénommé raccord coudé, réglé en surface pour équiper un moteur de fond de type turbine, PDM ("Positive Displacement Motor"), ou moteur électrique;
• Dispositif pseudo-dynamique: raccord orientable activé de manière autonome ou depuis la surface, uniquement pour les phases de glissement sans rotation du train de tiges, désigné par le terme anglo-saxon "sliding", pour équiper un moteur de fond de type turbine, ou bien stabilisateur de diamètre variable activé, ou autres;
• Dispositif dynamique: système piloté en temps réel depuis la surface ou de manière autonome pour la réalisation de systèmes de forage dirigé en mode rotatif de type connu de l'homme du métier sous le qualificatif de "Rotary Steerable System", en abrégé RSS.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE

[0003] Avec les techniques les plus couramment mises en oeuvre pour la réalisation d'un raccord orientable statique disposé à l'extrémité d'une ligne de forage, on ne peut pas réduire la longueur du coude sans compromettre la durée de vie de la butée servant d'appui à l'outil de forage. Il s'opère une transmission de poids sur l'outil, qualifiée de WOB ("weight on bit"). Il s'ensuit qu'il faut des angles de raccord importants pour pouvoir obtenir les déviations ou courbures usuellement dénommées "Build-Up Rate" (BUR), qui sont recherchées dans les applications concernées.

[0004] La demande internationale WO 90/07625 et les brevets US Nos. 6.244.361, 6.640.909, 6.808.027 et 6.847.304 décrivent des architectures de dispositifs de contrôle de trajectoire d'un train de tiges de forage comprenant un arbre flexible, mettant en oeuvre une technique dite "static bit force (arbre traversant rotatif) / Point the bit".

[0005] La demande internationale WO 90/07625 et les brevets US Nos. 3.677.354, 5.305.838, 5.307.885, 5.353.884, 5.875.859, 6.808.027 et 6.847.304 décrivent par ailleurs des moyens de couplage dit "interne" pour forcer l'orientation d'un arbre de transmission utilisé dans une telle application.

[0006] Le brevet EP 0 744 526 et le brevet US No. 4.947.944 décrivent des moyens pour le couplage dit "externe" pour un ensemble d'éléments d'un train de tiges et d'outils de forage.

[0007] La demande internationale WO 03/102353 décrit certes un dispositif de forage comportant un élément pour permettre et maîtriser la déviation de l'arbre et du trépan de forage. Toutefois, le dispositif décrit dans ce document doit comporter deux éléments tubulaires concentriques, respectivement extérieur et intérieur, qui peuvent prendre une position dans laquelle ils sont découplés l'un de l'autre, afin de permettre la rotation de l'élément tubulaire intérieur tandis que la rotation de l'élément tubulaire extérieur est empêchée.

[0008] La publication de demande de brevet US No. 2005/0173155 décrit un assemblage de moyens de forage dans lequel est prévu un moyen de blocage pour transmettre à l'arbre un couple de torsion généré par le boîtier ou carter, de manière débrayable.

[0009] Selon cet état de la technique, on ne disposait pas de moyens permettant d'orienter des outils de forage dans toutes les configurations requises.

[0010] Le document EP 0 201 398 décrit un ensemble pour forages orientés dans lequel un outil est entraîné en rotation autour d'un axe lié audit outil à partir d'une colonne, dite colonne d'entraînement, tournant à son extrémité inférieure autour d'un deuxième axe, lesdits axes étant sensiblement concourants en un même point A et formant entre eux un angle alpha. Un coude ou déflecteur (8) et le prolongateur (14) de la colonne d'orientation (10) ne transmettent que le poids sur l'outil (WOB). Ils ne sont donc pas assimilables à un arbre de transmission, ce qui est corroboré par l'utilisation d'une grenouillère articulée (16). Le manchon flexible ou joint flexible (204) n'est rien d'autre qu'une extension de la colonne d'entraînement.

[0011] Il n'existe donc pas actuellement de raccord orientable universel au sens où on l'entend dans les conditions rappelées ci-dessus.

[0012] Or, il est apparu utile de disposer de tels moyens, avantageusement avec la faculté de les mettre en place sur les matériels existants, et il est également apparu souhaitable que la fabrication et la maintenance de ces moyens nouveaux recherchés soient simples à réaliser et d'un coût raisonnable, afin de réduire le coût du mètre foré, tout en améliorant la précision du forage et en offrant une plus grande flexibilité de trajectoire et une compacité longitudinale recherchée, afin de rapprocher le plus possible les mesures de l'outil de forage/mèche.

[0013] L'invention permet d'apporter des solutions à ces attentes et de procurer des dispositifs et des moyens opérationnels pouvant répondre à ces objectifs ainsi qu'à d'autres, qui apparaîtront à la lumière de la description qui suit, des dessins qui l'accompagnent, et des revendications annexées.

[0014] La présente invention a par conséquent pour objectif de réaliser un dispositif pour orienter un outil de forage (mèche, PDC, trépan, etc.), ledit dispositif étant utilisable sous diverses variantes adaptables aux besoins et, de plus, facile à faire fonctionner en tous lieux. De plus, sa maintenance est aisée, et la durée de vie de ses pièces les plus sollicitées est également améliorée, étant donné qu'il est tenu compte de la dissymétrie entre l'amont et l'aval du dispositif, à savoir respectivement entre l'extrémité basse du train de tiges principal ou BHA (Bottom Hole Assembly) et l'outil de forage/mèche.

RÉSUMÉ DE L'INVENTION

[0015] Un objectif de l'invention est de proposer une architecture de dispositif d'orientation, encore dénommé "raccord orientable" ou "raccord coudé", permettant de s'affranchir des limitations indiquées ci-dessus. Un tel dispositif présente une longueur réduite et, par conséquent, offre un BUR important malgré un faible angle de coude (ou angle d'orientation), est également fiable et économique à fabriquer, et permet un montage et une maintenance faciles à réaliser.

[0016] Le dispositif selon la présente invention comporte, pour permettre de commander l'orientation de l'outil de forage/mèche auquel il est intégré, essentiellement un corps principal et un boîtier orientable, disposés consécutivement de l'amont vers l'aval et liés respectivement par au moins une liaison avantageusement de type pivot, pivot glissant, rotule ou linéaire annulaire formant un premier palier, et au moins une liaison pivot formant un deuxième palier, à un arbre de transmission incurvable ou flexible qui les traverse longitudinalement,
tandis qu'une liaison appropriée formant un troisième palier entre ledit arbre de transmission et le corps principal est agencée à proximité de l'extrémité du dit corps principal située du côté du dit boîtier orientable, et
tandis que l'orientation est réalisée grâce à des moyens de déplacement relatif essentiellement radial du corps principal par rapport au boîtier orientable à proximité de leur interface, dénommés ci-après "système de déflexion",
ledit corps principal étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage/mèche, et
ledit boîtier orientable étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage/mèche vers son extrémité située du côté de l'outil de forage/mèche, et de patins ou de crampons fixes ou expansibles vers son extrémité située du côté du corps principal.

[0017] La fonction des dits patins d'appui est de prendre appui sur la paroi du puits foré pour une déviation optimale de l'outil de forage/mèche, et de freiner la rotation par rapport à l'axe du puits et éventuellement de provoquer l'arrêt ou le blocage du dispositif en rotation, en coopération avec les parois du puits foré dans le cas des crampons.

[0018] Dans le présent contexte, la direction "aval" désigne classiquement la direction de l'outil de forage/mèche, tandis que la direction "amont" désigne l'extrémité supérieure du train de tiges.

[0019] Ainsi, le dispositif selon l'invention comporte, consécutivement de l'amont vers l'aval, un corps principal et un boîtier orientable en relation fonctionnelle avec celui-ci, un arbre traversant, ainsi qu'au moins trois paliers et de préférence trois paliers tels que définis ci-dessus, et avantageusement des patins d'appui et/ou des crampons tels que susdits, la déflexion exercée au moyen d'un système de déflexion approprié conduisant à la courbure souhaitée de l'arbre incurvable ou flexible, c'est-à-dire en pratique à l'angle d'orientation souhaité entre les axes longitudinaux du corps principal et du boîtier orientable.

[0020] Dans le dispositif selon l'invention, l'arbre est fortement sollicité à proximité des paliers susdits, et l'on préfère alors que l'ensemble des paliers et autres composants coopérant avec l'arbre soient frettés.

[0021] Avec un tel dispositif, la flexion de l'arbre est réalisée par déplacement essentiellement radial de l'extrémité supérieure du boîtier orientable par rapport à l'extrémité inférieure du corps principal, sous l'action d'un système de déflexion.

[0022] En pratique, un tel système de déflexion est de type connu, ou bien sa conception est à la portée de l'homme du métier.

[0023] Ladite déflexion est réalisée, en pratique, par déplacement essentiellement radial de l'extrémité supérieure du boîtier orientable par rapport à l'axe longitudinal du corps principal, au moyen d'un système de déflexion, en prenant appui soit sur l'arbre de transmission ou le corps principal (couplage dit "interne"), soit sur la paroi du puits foré (couplage dit "externe").

[0024] Le couplage ne peut être qu'interne dans la version statique.

[0025] L'originalité d'un tel dispositif réside essentiellement dans l'utilisation de la flexion maîtrisée de l'arbre de transmission pour articuler le corps du dispositif. Un tel mode de fonctionnement du dispositif permet sa compatibilité avec les dispositifs d'orientation existants, qu'ils soient internes ou externes.

[0026] En ce qui concerne le dispositif de déflexion intégré dans le dispositif d'orientation selon l'invention, il peut être mis en oeuvre dans le cas d'un dispositif d'orientation statique, dans des formes de réalisation préférées, illustratives et non limitatives, au moyen de deux bagues excentrées radialement, d'une rotule et d'une liaison pivot glissant; la déflexion est alors obtenue par rotation différentielle des deux bagues.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

[0027] L'invention sera mieux comprise, et d'autres objectifs, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement, à la lumière de la description détaillée ci-après des modes de réalisation préférés, donnés à titre purement illustratif et nullement limitatif, tandis que sont annexées à ladite description des planches de dessins dans lesquelles:

La Figure 1 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon l'invention, dans sa position pour forage rectiligne, et dans sa forme de réalisation qualifiée de statique ou pseudo-dynamique;

La Figure 2 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon Fig. 1, dans une position pour forage courbe;

La Figure 3 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon l'invention, dans sa position pour forage rectiligne, et dans sa forme de réalisation qualifiée de dynamique, avec un couplage dit "externe";

La Figure 4 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon Fig. 3, dans une position pour forage courbe;

La Figure 5 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon l'invention, dans sa position pour forage rectiligne, et dans sa forme de réalisation qualifiée de dynamique, avec couplage dit "interne";

La Figure 6 représente, en coupe schématique longitudinale partielle, un dispositif selon Fig. 5, dans une position pour forage courbe;

Les Figures 1A, 3A, 5A, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B et 6B sont des vues schématiques en coupe transversale selon respectivement A-A ou B-B des dispositifs selon les figures respectives portant le même numéro;

La Figure 7 est une représentation plus détaillée, en coupe longitudinale, d'un dispositif selon l'invention, dans sa version statique et dans sa position pour forage rectiligne;

La Figure 8 est une représentation plus détaillée, en coupe longitudinale, d'un dispositif selon Fig. 7, dans sa position pour forage courbe;

La Figure 9 est une représentation plus détaillée, en coupe longitudinale schématique partielle, d'un montage de palier, avec connexion frettée dans un dispositif selon l'invention.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

[0028] En référence aux dessins ainsi succinctement décrits, notamment les figures 1-8, qui l'illustrent mais ne le limitent en aucune manière, le dispositif ayant une architecture de raccord orientable selon l'invention comporte pour l'essentiel un corps principal 1 et un boîtier orientable 2, liés respectivement par au moins une liaison de type pivot, pivot glissant, rotule ou linéaire annulaire formant un premier palier 4 et au moins une liaison pivot formant un deuxième palier 5 à un arbre de transmission 3 incurvable ou flexible, qui les traverse longitudinalement,
tandis qu'une liaison appropriée formant un troisième palier 6 entre ledit arbre de transmission et le corps principal, est agencée à proximité de l'interface entre ledit corps principal et ledit boîtier, et
tandis que l'orientation est réalisée grâce à des moyens agissant comme système de déflexion 7 pour maîtriser le déplacement relatif essentiellement radial du corps principal 1 par rapport au boîtier orientable 2 à proximité de leur interface,
ledit corps principal étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui 9 d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage/mèche 16, et
ledit boîtier orientable étant en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui 10a vers son extrémité située du côté de l'outil de forage/mèche 16 et de patins ou de crampons fixes ou expansibles 10b vers son extrémité située du côté du corps principal 1, afin de prendre appui sur la paroi du puits foré (pour une déviation optimale de l'outil de forage/mèche 16), et
afin de permettre le freinage, voire un blocage en rotation du corps principal 1 et du boîtier orientable 2 respectivement par frottement et par rainurage de la paroi du puits à forer.

[0029] Par "liaison appropriée formant un troisième palier" on entend ici, avantageusement, une liaison de type pivot, pivot glissant, linéaire annulaire ou rotule.

[0030] Dans un tel dispositif, le boîtier orientable 2 est situé en aval du corps principal 1, par rapport à la direction d'avancement du système intégrant le dispositif.

[0031] Avec un tel dispositif, la flexion de l'arbre 3, c'est-à-dire l'orientation selon l'angle souhaité entre les axes longitudinaux du corps principal et du boîtier orientable, est réalisée par déplacement essentiellement radial du boîtier orientable 2 par rapport au corps principal 1, et/ou par rapport à l'arbre de transmission traversant 3, sous l'action d'un système de déflexion 7.

[0032] En d'autres termes, une articulation est réalisée entre le corps principal 1 et le boîtier orientable 2, sous la forme d'un arbre incurvable ou flexible 3 lié à chacune de ces deux parties 1, 2 par une liaison pivot et de moyens d'orientation placés entre le corps principal 1 et le boîtier orientable 2 et aptes à déplacer les extrémités adjacentes de ceux-ci essentiellement radialement l'une par rapport à l'autre.

[0033] Dans une version statique ou pseudo-dynamique, un tel dispositif comporte également, dans la pratique, un ensemble joint racleur frontal + joint d'étanchéité 8, des patins 9 pour le corps principal 1, des patins d'appui 10a pour le boîtier orientable 2, un dispositif de pressurisation 11, une connexion haute 12 et une connexion basse 13, un ensemble fonctionnel comprenant stator-moteur, turbine, etc. 14, un ensemble rotor-moteur, turbine, etc. 15, et un outil de forage/mèche (PDC ou tricône) 16, ainsi que, en option, un ou plusieurs compartiments électroniques 17 comportant des capteurs, un calculateur temps réel, un engrenage par exemple de type pignon/couronne 18 entraînant au moins un alternateur 19a et/ou au moins une pompe hydraulique 19b.

[0034] Dans une forme de réalisation purement illustrative, la liaison pivot entre le corps principal 1 et l'arbre 3 est réalisée au moyen (A) d'un palier dit supérieur 4 de type pivot ou rotule, et (B) d'un palier 6 dit central de type linéaire annulaire, ces deux paliers étant situés à proximité des deux extrémités respectives du corps principal 1, tandis que le palier central 6 est du côté boîtier orientable 2,
et la liaison pivot entre le boîtier orientable 2 et l'arbre 3 est réalisée au moyen d'un palier dit inférieur 5, situé à proximité de l'extrémité du boîtier orientable 2 se trouvant du côté de l'outil de forage/mèche.

[0035] Dans la pratique, il est avantageux, d'une part de maximiser la distance entre le palier inférieur 5 et le palier central 6 sous réserve de conserver la compacité et la BUR, et d'autre part de minimiser la distance entre le palier inférieur 5 et l'outil de forage/mèche 16, afin de maximiser le bras de levier entre le plan médian des patins d'appui 10a/plan de déplacement essentiellement radial et le plan médian des patins d'appui 10a/front de coupe du dit outil de forage/mèche 16.

[0036] Le dispositif selon l'invention permet en pratique d'assurer un angle de coude dit angle de Bent d'environ 0° à 1° et plus.

[0037] Dans une forme de réalisation préférée, le dispositif selon l'invention comporte un corps principal 1 équipé de patins d'appui 9 au diamètre de l'outil de forage à chacune de ses extrémités, et un boîtier orientable 2 équipé de patins d'appui 10a au diamètre de l'outil de forage à son extrémité inférieure (côté "bit") et, en configuration dynamique, de crampons ou de couteaux à son extrémité supérieure (côté corps principal) pour permettre le freinage ou même l'arrêt par blocage en rotation du corps principal 1 et du boîtier orientable 2 respectivement par frottement et rainurage de la paroi du puits foré.

[0038] En variante, dans la configuration dynamique, le corps principal peut intégrer une masselotte, avantageusement en tungstène, pour limiter la rotation du corps principal 1 et du boîtier orientable 2 par rapport à la paroi du puits.

[0039] Ainsi, le système comporte trois paliers (4, 5, 6), sur lesquels est monté au moins un arbre traversant 3, tandis que la déflexion conduit à l'angle d'orientation souhaité entre les axes longitudinaux du corps principal et du boîtier orientable..

[0040] Ladite déflexion est réalisée, en pratique, par déplacement essentiellement radial de l'extrémité supérieure du boîtier orientable 2 par rapport au corps principal 1, au moyen d'un système de déflexion 7.

[0041] Un exemple illustratif et non-limitatif d'un tel système de déflexion est un système comportant avantageusement une coulisse précontrainte par ressort, une rotule et deux bagues excentrées radialement, un tel système étant commandé et verrouillable manuellement.

[0042] Le système de déflexion est avantageusement placé devant le palier central pour que le point de rotation de l'outil de forage soit le plus proche possible du centre des patins d'appui 10a formant une liaison linéaire annulaire avec la paroi du puits foré, avec pour effet de réduire les efforts parasites.

[0043] Quant au joint frontal, il est de préférence plaqué contre l'extrémité du boîtier orientable 2 sous l'action conjuguée de la surpression interne de pressurisation et d'un ressort, avantageusement d'un ressort à spires ondulées.

[0044] Le dispositif de pressurisation est de préférence placé dans le boîtier orientable 2, mais toute autre disposition est envisageable.

[0045] A titre illustratif, lesdits paliers (4, 5, 6) peuvent être composés soit de roulements, notamment de roulements à billes, roulements à rotule sur rouleaux, roulements à rouleaux coniques, roulements à rouleaux cylindriques ou roulements à aiguilles ou roulements dénommés CARB™ commercialisés par la société suédoise SKF; soit de paliers hydrodynamiques, notamment à huile ou à boue de forage; soit d'une combinaison quelconque des deux types précédents.

[0046] Selon une forme de réalisation avantageuse de l'invention, les paliers 4, 5, 6 sont hydrodynamiques, ou constitués de roulements à billes et/ou à rouleaux avantageusement précontraints pour maximiser la raideur des paliers et leur résistance aux chocs.

[0047] Dans une forme de réalisation préférée, l'arbre de transmission 3 est tubulaire creux, pour permettre le passage du ou des fluide(s) de forage avec un minimum de perte de charge, ainsi que le passage de sondes de mesure descendues au moyen d'un câble en cours de forage (pour des mesures qualifiées usuellement de "thru the bit measurement" ou mesures à travers la mèche).

[0048] Selon une autre caractéristique de l'invention, il est avantageux que l'arbre de transmission 3 soit réalisé en matériaux composites ou en alliage ayant un rapport élevé entre sa limite d'endurance en flexion alternée et son module d'Young, afin d'en augmenter la flexibilité pour maximiser la déviation ou BUR sans réduire sa durée de vie en flexion rotative, tout comme celle du palier inférieur 5. L'arbre monobloc est dans ce cas avantageusement réalisé en alliage de titane, en bronze au béryllium, en acier inoxydable amagnétique ou un acier allié ayant de hautes caractéristiques mécaniques. Dans le cas d'une utilisation avec un MWD, qui est alors situé de manière générale juste au-dessus du dispositif ou même intégré à ce dernier, les alliages amagnétiques sont préférés.

[0049] Selon une caractéristique alternative de l'objet de l'invention, les composants tels que roulements, couronne dentée, palier, etc., sont fixés sur l'arbre par frettage, thermique ou mécanique, afin que l'arbre ne comporte ni rainure, ni épaulement, ni gorge, ou en pratique pas de changements de section brutaux et importants. Seules les extrémités de l'arbre, qui sont moins sollicitées, peuvent présenter des filetages et des gorges de joint.

[0050] Dans une forme de réalisation, la liaison des connexions respectivement basse et haute 12, 13 avec l'arbre de transmission 3 est réalisée par un filetage associé à une frette mécanique assurant la transmission respectivement des efforts de traction/compression (en abrégé WOB) et du couple à l'outil de forage/mèche 16 (voir Fig. 9).

[0051] Dans une forme de réalisation préférée, ces frettes mécaniques sont à commande hydraulique, pour faciliter le montage et la maintenance de l'ensemble du dispositif. Un tel dispositif évite ainsi l'usage d'un banc de serrage coûteux, généralement non disponible sur le chantier, et permet en outre le contrôle de la précharge des roulements par simple mesure de pression hydraulique lorsque les paliers inférieurs et supérieurs sont adossés aux connexions (voir Fig. 9).

[0052] Plus préférablement, on réalise les liaisons entre ledit arbre et les connexions haute et basse 12, 13, par filetage pour les efforts axiaux et par frettage pour la transmission de couple. Par le serrage de ladite frette à commande hydraulique, on peut précontraindre le palier qui lui est lié.

[0053] Ainsi, selon la forme de réalisation illustrée sur la figure 9 à titre d'exemple non limitatif, un arbre 3 traverse centralement le boîtier orientable 2 selon son axe de symétrie axiale Z-Z', et une chemise de palier 20 supporte un palier 5 muni d'une entretoise interne 21 et d'une entretoise externe 22, ainsi que d'une frette de palier 23. Entre ledit palier et la connexion 24 (serrée manuellement sur l'arbre) à l'outil de forage/mèche 16, ou en variante l'outil de forage/mèche 16 lui-même, sont placés un support d'étanchéité 25, une frette de connexion 26, une bague conique 32 et un écrou de verrouillage 29. Un bouchon/connexion hydraulique 27 et une bague conique 32 pour la précontrainte du dit palier 5, et un écrou de verrouillage 29 permettent le pompage à une pression donnée pour la mise en place/précontrainte des roulements et du frettage mécanique réversible de la chemise de palier 20 sur l'arbre 3. On serre ensuite le support d'étanchéité 25, on pompe par l'orifice de serrage 28, pour déplacer axialement la frette 26 par rapport à la bague conique 32 et ainsi assurer le frettage mécanique réversible de la connexion 24 sur l'arbre 3. On serre ensuite l'écrou de verrouillage 29. Le serrage est achevé par une opération de serrage/blocage du support d'étanchéité 25, de l'écrou de verrouillage 29, ainsi que des bouchons/connexions hydrauliques 27, 28 et 30.

[0054] Le démontage d'un tel ensemble assurant le montage de paliers dans un dispositif selon l'invention comprend les étapes de: déblocage/desserrage de l'écrou de verrouillage 29, pompage par la connexion hydraulique 27, desserrage du support d'étanchéité 25, pompage par la connexion hydraulique 30 pour desserrage de la frette de palier 23, et desserrage manuel de la connexion 24.

[0055] Selon une autre caractéristique de cet objet de l'invention, tous ou presque tous les composants de structure du dispositif qui constituent l'essentiel de la masse du raccord orientable sont de préférence en alliages amagnétiques, en céramique, en matériau composite et/ou en matière plastique, afin de ne pas perturber les mesures des outils MWD, qui sont de manière générale situés juste au-dessus du dispositif ou même intégrés à celui-ci.

[0056] Dans une forme de réalisation du dispositif selon l'invention, l'ensemble des mécanismes baignent dans de l'huile maintenue à une surpression d'environ 0,01 à 1 MPa et plus par rapport à son environnement, avantageusement grâce à un dispositif de pressurisation de préférence réalisé au moyen d'un piston annulaire poussé par la pression du fluide environnant et un ressort logé entre le corps du boîtier et l'arbre de transmission. Dans une forme de réalisation préférée, un ensemble de joint racleur et de joint d'étanchéité frontaux, ou un soufflet métallique, en matière plastique ou en lamifié élastomère, assure l'étanchéité entre le corps principal 1 et le boîtier orientable 2.

[0057] En ce qui concerne les éléments destinés à constituer les appuis du corps principal 1 et du boîtier orientable 2 sur les parois du puits de forage, ce sont avantageusement des lames droites ou hélicoïdales, de préférence dépouillées pour réduire les risques de colmatage, faisant office de stabilisateurs non rotatifs, d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil de forage/mèche. Ces stabilisateurs non rotatifs sont de préférence garnis de "boutons" respectivement alignés ou en hélice, avantageusement en carbure de tungstène ou en diamant polycristallin (en abrégé, PDC), ou pourvus d'un dépôt résistant à l'abrasion.

[0058] Lorsqu'il est conçu pour constituer un raccord dynamique avec couplage interne, le dispositif selon l'invention est avantageusement équipé, à l'extrémité du boîtier orientable 2 située du côté du système de déflexion 7, de lames ou crampons longitudinaux 10b destinés à permettre le freinage en rotation du raccord orientable par rainurage de la paroi du puits foré. Dans la pratique, ces crampons ou lames sont avantageusement réalisés en carbure de tungstène ou en diamant polycristallin (en abrégé, PDC), pour optimiser leur longévité quel que soit le type de formation forée.

[0059] En ce qui concerne le dispositif de déflexion intégré dans le dispositif de raccord selon l'invention, il est de préférence réalisé, dans le cas d'un dispositif de raccord statique, au moyen de deux bagues excentrées radialement, d'une rotule et d'une liaison par pivot glissant asservi par un ressort; la déflexion est alors obtenue par rotation différentielle des deux bagues.

[0060] Pour un dispositif pseudo-dynamique ou dynamique, ce dispositif de déflexion est réalisé classiquement, sur la base des connaissances de l'homme du métier.

[0061] Selon une caractéristique avantageuse, pour les formes de mise en oeuvre de l'invention qui nécessitent une puissance hydraulique, le ou les vérins sont de préférence alimentés par une pompe dont les pistons sont disposés en barillet autour de l'arbre et entraînés par une came solidaire dudit arbre. En variante, on peut procurer et utiliser une ou plusieurs pompes 19b en barillet, entraînées par un ensemble pignon-couronne multiplicateur.

[0062] L'alimentation de chaque vérin est avantageusement pilotée par une électrovanne, normalement ouverte. Si le système d'orientation ainsi conçu est réversible, le système revient spontanément dans sa position neutre, pour garantir le retour du dispositif selon l'invention en position de forage rectiligne en cas d'incident et ainsi limiter les risques de coincement durant la remontée de l'ensemble de forage.

[0063] Selon une autre forme de réalisation avantageuse, et plus particulièrement dans une forme de réalisation requérant une puissance électrique, le dispositif d'orientation selon l'invention n'a pas de batterie et il est alimenté par une génératrice annulaire, notamment à aimants permanents (non représentée) disposée autour de l'arbre 3 et entraînée par ce dernier par l'intermédiaire d'un multiplicateur à train épicycloïdal, non représenté. En variante, on peut procurer et utiliser une ou plusieurs génératrices disposées en barillet autour de l'arbre 3 et entraînées par ce dernier par l'intermédiaire d'un ensemble pignon/couronne multiplicateur. Les dites génératrices sont alors avantageusement couplées à un ou plusieurs redresseurs pouvant être couplés en série ou en parallèle pour plage de vitesse large, et une pluralité de condensateurs de forte capacité, pour faire office de pile durant le fonctionnement sans rotation de l'arbre.

[0064] De préférence, la ou les dites pompes et la ou les dites génératrices sont disposées sur le même axe et partagent avantageusement le même pignon d'entraînement.

[0065] Le dispositif selon l'invention comporte avantageusement un ensemble regroupé de pompes, génératrices, électrovannes, vérins et clapets de surpression, agencés pour pouvoir activer des moyens de déplacement relatif.

[0066] Selon une autre caractéristique du dispositif d'orientation selon l'invention, le corps principal 1 intègre des capteurs de mesures "à l'outil" ("at bit") comme, par exemple, des mesures d'inclinaison, d'azimut, de pression, de température, de rayonnement gamma naturel, de résistivité, de "WOB", de couple à l'outil, de niveau vibratoire ("bit bouncing" et/ou "whirling"), de vitesse de rotation, de "stick-slip" ou broutage, etc.

[0067] De par leur conception, les mesures de rayonnement gamma naturel sont directionnelles, compte tenu de l'excentration des dits cristaux et de la rotation (lente) du corps principal 1 par rapport au puits foré. On peut à cet égard utiliser, de manière connue, plusieurs cristaux répartis régulièrement en barillet autour de l'arbre.

[0068] La rotation (lente) du corps principal 1 par rapport au puits foré étant aléatoire, la ou les génératrice(s) peuvent être mises en court-circuit et/ou la ou les pompe(s) peuvent être bloquée(s) afin de maîtriser la rotation du corps principal 1 par rapport au puits foré par rotation des tiges.

[0069] Selon une forme particulière de réalisation de la version pseudo-dynamique du dispositif d'orientation selon l'invention, le corps principal 1 intègre un détecteur de rotation (non représenté) du train de tiges (en l'absence de rotation, on est en mode coulissant ("sliding") avec arbre 3 fléchi, tandis qu'avec une rotation on est en mode "tournant ("rotary") avec arbre droit", pour une activation autonome du boîtier orientable 2, sans recourir à une transmission surface/fond.

[0070] Selon une variante de réalisation de la version pseudo-dynamique du dispositif d'orientation selon l'invention, le détecteur de rotation du train de tiges est intégralement mécanique (par exemple balourd en rotation libre autour du corps principal 1, masse en translation radiale, etc.) pour les applications à haute température, notamment à des températures d'environ 200°C et plus.

[0071] Dans la forme de réalisation du dispositif d'orientation selon l'invention procurant à celui-ci un fonctionnement dynamique, ledit dispositif intègre avantageusement dans ou sur son corps principal 1 des capteurs d'inclinaison et d'azimut ou une centrale inertielle ou un balourd en rotation libre associé à un codeur angulaire et à un inclinomètre, couplés à un calculateur temps réel, pour piloter le dispositif de déflexion suivant une direction ou une trajectoire donnée.

[0072] Selon une autre caractéristique de l'invention, dans sa forme de réalisation aussi bien pseudo-dynamique que dynamique, le dispositif d'orientation peut être télécontrôlé depuis la surface par l'intermédiaire d'un codage utilisant la pression de boue et/ou la rotation du train de tiges comme paramètres, ou encore au moyen d'une transmission par ondes électromagnétiques, avec ou sans relais.

[0073] Une transmission bidirectionnelle appropriée équipant les raccords orientables selon l'invention de type aussi bien pseudo-dynamique que dynamique présente l'avantage de permettre de transmettre en surface les mesures effectuées au niveau de l'outil (dites mesures à l'outil), aussi bien avec que sans relais, selon les préférences et les contraintes d'environnement, ce qui rend le forage interactif.

[0074] Par ailleurs, il est avantageux de munir le dispositif d'orientation selon l'invention de capteurs tels que ceux indiqués plus haut, et d'une interface électrique avec connecteur (comportant au moins un fil + masse) à avantageusement quatre contacts (2 fils d'alimentation et 2 fils de communication) plus la masse, pour permettre le dialogue (programmation, paramétrage, relecture de mémoire, etc.) avec un ordinateur ou même directement par réseau.

[0075] Naturellement, l'homme du métier comprendra que le dispositif d'orientation selon l'invention se place en pratique entre des éléments en amont classiques (MWD, LWD, moteur, etc., et train de tiges) et l'outil de forage (mèche/PDC/trépan) en aval, ou à la limite peut même intégrer ou être intégré à un de ces éléments.

[0076] L'invention a également pour objet un procédé pour la réalisation de forages maîtrisés, c'est-à-dire nécessitant un contrôle précis de trajectoire. Dans un tel procédé selon l'invention, on fournit, et on met en fonctionnement sous l'action d'un dispositif de déflexion approprié, au moins un dispositif d'orientation/réorientation selon la présente invention.

[0077] L'application du dispositif en réorientation peut s'avérer particulièrement avantageuse lorsque le forage a subi une incurvation non souhaitée ou qu'il est préférable de réorienter la trajectoire d'un puits dont la production baisse.

[0078] Dans une forme de réalisation préférée, le procédé selon l'invention comporte les caractéristiques, formes de réalisation et/ou variantes avantageuses indiquées plus haut pour le dispositif de raccord orientable lui-même ou ses composantes.

[0079] Ainsi la présente invention procure une architecture pour l'orientation d'un outil de forage, permettant de s'affranchir des limitations de la technique antérieure, et ayant pour avantages marquants une longueur réduite, la possibilité de fournir un BUR important malgré un faible angle de coude, une grande fiabilité, et une fabrication et une maintenance extrêmement aisées/économiques.

[0080] En option, on peut intégrer dans le dispositif selon l'invention une transmission unidirectionnelle surface-fond, fonctionnant par exemple par variation de pression ou par exemple par rotation du train de tiges et codage/décodage sur génératrice(s), et ainsi permettre le pilotage du système depuis la surface, en recourant aux connaissances de l'homme du métier. On peut également intégrer dans ce dispositif une transmission électromagnétique unidirectionnelle ou bidirectionnelle surface-fond ou locale, permettant elle aussi le pilotage interactif du système en temps réel.

[0081] Ledit procédé peut comporter en option l'analyse des variations des signaux de la ou des génératrices susdites, en vue de la détection d'un dysfonctionnement tel qu'une survitesse ou un broutage ("stick-slip").

[0082] Il peut également comporter la mise en oeuvre de moyens pour la détection, avantageusement mécanique, des modes de forage par progression sans rotation du train de tiges ("sliding") et avec rotation du train de tiges ("rotary") pour un fonctionnement autonome.

[0083] En variante, le procédé peut comporter la mise en oeuvre de moyens de pilotage de l'orientation du boîtier orientable 2, notamment par intégration avantageusement dans le corps principal 1 d'un balourd couplé à un codeur angulaire et un inclinomètre, ainsi que d'un calculateur temps réel.

[0084] Le procédé selon l'invention peut également comporter la mise en oeuvre de moyens de pilotage de l'orientation du boîtier orientable 2 dans toutes les directions, notamment par intégration avantageusement dans le corps principal 1 d'une sonde de déviation (composée de préférence de 3 magnétomètres + 3 accéléromètres) et d'un calculateur temps réel. En variante, cette fonctionnalité peut être assurée par intégration dans le corps principal 1 d'une centrale inertielle, avantageusement de type MEMS, et d'un calculateur temps réel.

[0085] Pour la mesure du couple à l'outil de forage/mèche 16, qui présente de l'intérêt dans la pratique, on peut utiliser des techniques connues de l'homme du métier. Avec le dispositif selon l'invention, on peut avantageusement procéder par mesure de l'angle de torsion de l'arbre 3 entre les paliers 4 et 6. Pour cela, il est recommandé d'utiliser des roulements instrumentés faisant office de codeur, la ou les génératrices 19a, ou des aimants associés à au moins un capteur à effet Hall, ou une combinaison des ces éléments, et de procéder avec ces moyens à une mesure directe de déphasage entre les deux mesures, ainsi qu'à une mesure de vitesse par génératrices.

[0086] Outre son aptitude à réduire le coût global du mètre de trou foré, le dispositif conforme à la présente invention possède un potentiel de miniaturisation permettant d'envisager des réalisations pour des phases de forage inférieures ou égales à 5"7/8. Il est par ailleurs compatible avec un élargisseur ("reamer/underreamer", en anglais), placé en amont du dit dispositif. On peut ainsi forer différents diamètres avec un même dispositif.

[0087] Dans tous les cas, le ou les fluide(s) de forage et le WOB ("weight on bit") passent directement par l'arbre de transmission tubulaire, permettant respectivement de réduire les pertes de charge et, dans le cas des systèmes statique et pseudo-dynamique, de placer la butée dans le corps principal 1. La longueur du boîtier orientable 2 se trouve ainsi réduite au maximum, sans que cela compromette la durée de vie de la butée, d'où un BUR important avec un angle de coude faible.

[0088] Dans le cas d'un raccord pseudo-dynamique, les avantages susmentionnés sont encore complétés par les possibilités, notamment:

• d'activer l'orientation du boîtier automatiquement ou depuis la surface, suivant le mode de forage - "rotary" arbre droit pour les forage rectilignes et "sliding" arbre fléchi pour les forages nécessitant un contrôle précis de la trajectoire; la rotation du boîtier fléchi en mode "rotary" est ainsi supprimée et la qualité du trou foré est semblable à celle que l'on obtiendrait avec un RSS, mais avec un système plus simple et donc plus fiable et moins coûteux;
• d'instrumenter le moteur avec des capteurs de pression, de température, de déviation, de rayonnement gamma naturel, de neutrons, etc., disposés dans le corps principal, ce qui permet des mesures à l'outil; et
• d'implanter une communication fond/surface pour avoir des mesures à l'outil en temps réel en surface.

[0089] Dans le cas d'un raccord dynamique, il est ainsi possible de:

• réduire considérablement la longueur du RSS, pour

  ◊ améliorer la qualité des mesures en cours de forage (MWD/LW) en réduisant la distance entre les différents points de mesure et la mèche (PDC ou Tricône, par exemple);

  ◊ augmenter le BUR et rendre les performances directionnelles du RSS insensibles à l'inclinaison dudit RSS avec des appuis du corps principal et du boîtier au diamètre de l'outil de forage/mèche; et

  ◊ réduire la masse, l'investissement et les coûts de mise en oeuvre du produit et de transport, entre autres;

• donner accès à tous les organes tant mécaniques qu'électroniques du RSS, sans que l'on ait besoin de démonter complètement ledit RSS, si bien que les coûts de montage et de maintenance s'en trouvent fortement réduits;
• réduire de plus de 30% les efforts dans l'ensemble des mécanismes et des connexions des différents organes constituant le RSS, ainsi que le nombre des composants mécaniques, et par voie de conséquence augmenter la fiabilité dudit RSS;
• miniaturiser le RSS pour des forages de taille inférieure ou égale à 5" 7/8;
• faciliter l'introduction des dispositifs de RSS existant sur le marché en tirant profit de l'expérience déjà acquise avec le forage avec raccords coudés des moteurs de fond, qui équipent ces derniers depuis 1962; et
• atteindre une vitesse de rotation potentielle plus élevée que dans le cas de la plupart des systèmes existants.

[0090] Il convient en outre de noter que les avantages susdits doivent conduire à une réduction très significative du coût global du mètre foré - qui ne peut être atteinte au moyen des dispositifs de forage actuellement connus - tout en procurant de plus larges opportunités d'utilisation aussi bien des moteurs de fond que des RSS.

Revendications

1. Dispositif d'orientation d'outils de forage, caractérisé en ce qu'il comporte, consécutivement de l'amont vers l'aval:

• un corps principal (1) et un boîtier orientable (2),

• un système de déflexion (7) et

• un arbre de transmission (3) qui les traverse longitudinalement, ledit arbre de transmission (3) étant incurvable ou flexible et étant lié au corps principal (1) et au boîtier orientable (2) par au moins trois liaisons formant paliers (4, 5, 6),
tandis que la liaison pivot entre le corps principal (1) et l'arbre (3) est réalisée au moyen (A) d'un palier dit supérieur (4), et (B) d'un palier (6) dit central, ces deux paliers étant situés à proximité des deux extrémités respectives du corps principal (1), le palier central (6) étant du côté du boîtier orientable (2), et
tandis que la liaison pivot entre ledit boîtier orientable et l'arbre (3) est réalisée au moyen d'un palier dit inférieur (5), situé à proximité de l'extremité du boîtier orientable (2) du côté de l'outil de forage/ mèche (16) et
tandis que le système de déflexion (7) réalise l'orientation par déplacement relatif essentiellement radial du corps principal (1) par rapport au boîtier orientable (2) à proximité de leur interface.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre de transmission (3) est lié au corps principal (1) et au boîtier orientable (2) par respectivement:

• un premier palier (4) formé par au moins une liaison pivot, pivot glissant, rotule ou linéaire annulaire
et

• un deuxième palier (5) formé par au moins une liaison pivot, tandis que

• un troisième palier (6) est formé par une liaison de type pivot, pivot glissant, linéaire annulaire, ou rotule entre ledit arbre de transmission (3) et le corps principal (1), agencée à proximité de l'extrémité du dit corps principal située du côté du boîtier orientable (2).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que:

ledit corps principal (1) est en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui (9) d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil / méche de forage (16),
et

ledit boîtier orientable (2) est en option équipé sur sa périphérie de patins d'appui (10a) d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'outil/mèche de forage (16) vers son extrémité située du côté de l'outil/mèche, et de patins ou crampons fixes ou expansibles (10b) vers son extrémité située du côté du corps principal (1).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit système de déflexion (7) est destiné à permettre une flexion par déplacement essentiellement radial de l'extrémité supérieure du boîtier orientable (2) par rapport à l'extrémité inférieure du corps principal (1), en prenant appui soit sur l'arbre de transmission (3) ou le corps principal (1), soit sur la paroi du puits foré.

5. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits paliers (4, 5, 6) sont composés soit de roulements, notamment de roulements à billes, roulements à rouleaux coniques, roulements à rouleaux cylindriques ou roulements à aiguilles, avantageusement précontraints; soit de paliers hydrodynamiques, notamment à huile ou à boue de forage; soit par combinaison de ceux-ci.

6. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est conçu pour constituer un raccord dynamique, et est muni, à l'extrémité du boîtier orientable (2) située du côté du système de déflexion (7), de crampons ou de couteaux destinés à permettre, lors de la déflexion de l'arbre (3), l'arrêt par blocage ou le freinage en rotation du dispositif par rainurage de la paroi du puits de forage.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que l'arbre (3) est un arbre de transmission tubulaire monobloc réalisé en matériaux composites ou en alliage ayant un rapport élevé entre la limite d'endurance en flexion alternée et le module d'Young, et ledit arbre ne comporte pas de changements de section brutaux, tandis que seules les extrémités de l'arbre peuvent en option être filetées et peuvent présenter des gorges de joint, et tandis que les composants tels que roulements, couronne dentée, palier, et autres, sont fixés sur l'arbre par frettage, thermique ou mécanique.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la liaison des connexions respectivement basse et haute avec l'arbre (3) est réalisée par un filetage associé à une frette mécanique à commande hydraulique, assurant la transmission respectivement des efforts axiaux de traction/compression et du couple à l'outil de forage.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'un ensemble de joint racleur et de joint d'étanchéité frontaux, ou un soufflet en métal, en matière plastique et/ou en matériau lamifié élastomère assure l'étanchéité à l'interface entre le corps principal (1) et le boîtier orientable (2).

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le système de déflexion (7) est réalisé, dans le cas d'un dispositif de raccord statique, au moyen de deux bagues excentrées radialement, d'une rotule et d'une liaison par pivot glissant, ainsi que d'un ressort de précontrainte, la déflexion étant alors obtenue par rotation différentielle des deux bagues.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que le corps principal (1) intègre un détecteur de rotation du train de tiges, avantageusement intégralement mécanique, ou en mode "tournant avec arbre droit" pour une activation autonome du boîtier, sans recourir à une transmission surface/fond.

12. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce il comporte une ou plusieurs génératrices (19a) disposées en barillet autour de l'arbre (3) et entraînées par ce dernier par l'intermédiaire d'un ensemble pignon/couronne multiplicateur (18), les dites génératrices étant de préférence couplées à un ou plusieurs redresseurs pouvant être couplés en série ou en parallèle pour plage de vitesse large, et une pluralité de condensateurs de forte capacité, pour faire office de pile durant le fonctionnement en l'absence de rotation de l'arbre (3).

13. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs pompes hydrauliques (19b) disposées en barillet autour de l'arbre (3) et entraînées par ce dernier par l'intermédiaire d'un ensemble pignon/couronne multiplicateur (18).

14. Dispositif selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble regroupé de pompes, génératrices, électrovannes, vérins et clapets de surpression, agencés pour pouvoir activer le système de déflexion (7), lesdites pompes et lesdites génératrices étant coaxiales et partageant le même pignon d'entraînement.

15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour la mesure en temps réel de l'angle de torsion de l'arbre (3) entre les paliers (4) et (6), comme mesure du couple à l'outil de forage/mèche (16).

16. Procédé pour la réalisation de forages nécessitant un contrôle précis de la trajectoire, caractérisé en ce qu'on fournit, et on met en fonctionnement au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15.

17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'on réalise la flexion de l'arbre (3) au moyen du système de déflexion (7) par déplacement essentiellement radial du boîtier orientable (2) par rapport au corps principal (1), et/ou par rapport à l'arbre de transmission traversant (3).

18. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'analyse des variations des signaux de la ou des génératrices, en vue de la détection d'un dysfonctionnement tel qu'une survitesse ou un broutage.

Claims

1. A drilling tool steering device, characterized in that it comprises consecutively from upstream to downstream:

• a main body (1) and a steerable housing (2),

• a deflection system (7) and

• a transmission shaft (3) which crosses them longitudinally,
whereas the said transmission shaft (3) is bendable or flexible and is connected to the main body (1) and to the steerable housing (2) through at least three connections forming bearings (4, 5, 6),
whereas the connection of pivot type between the main body (1) and the shaft (3) is made by means (A) of a so-called upper bearing (4), and (B) of a so-called center bearing (6), those two bearings being situated in proximity to both the respective ends of the main body (1), the center bearing (6) being in the direction of the steerable housing (2), and
whereas the pivot connection between the said steerable housing and the shaft (3) is made by means of a so-called lower bearing (5), situated in proximity to the end of the steerable housing (2) located in the direction of the drilling tool/bit (16), and
whereas the deflection system (7) is designed to make bending possible by essentially radial relative displacement of the main body (1) in relation to the steerable housing (2) in proximity to their interface.

2. The device according to claim 1, wherein the transmission shaft (3) is linked to the main body (1) and to the steerable housing (2) respectively by:

• a first bearing (4) formed by at least one connection of pivot, sliding pivot; ball joint or annular linear
and

• a second bearing (5) formed by at least one pivot connection,
whereas

• a third bearing (6) formed by a connection of pivot, sliding pivot, annular linear or ball joint type between said transmission shaft (3) and the main body (1) arranged in proximity to the end of said main body situated in the direction of the steerable housing (2).

3. The device according to Claim 2, characterized in that:

the said main body (1) is optionally equipped on its periphery with bearing pads (9) of diameter less than or equal to the diameter of the drilling tool/bit (16), and the said steerable housing (2) is optionally equipped on its periphery with bearing pads (10a) of diameter less than or equal to the diameter of the drilling tool/bit (16) toward its end situated in the direction of the drilling tool/bit, and with fixed or expandable pads or clamps (10b) toward its end situated in the direction of the main body (1).

4. The device according to anyone of Claims 1 to 3, characterized in that it contains a deflection system (7) designed to make bending possible by essentially radial displacement of the upper end of the steerable housing (2) in relation to the lower end of the main body (1), by bearing either on the transmission shaft (3) or main body (1) or on the wall of the well drilled.

5. The device according to one of Claims 2 or 3, characterized in that said bearings (4, 5, 6) consist of roller bearings, notably ball bearings, tapered roller bearings, cylindrical roller bearings or needle bearings, advantageously prestressed, or of hydrodynamic bearings, notably oil or drilling mud bearings, or of any combination of same.

6. The device according to one of Claims 2 or 3, characterized in that it is designed to constitute a dynamic connection and is equipped, at the end of the steerable housing (2) situated in the direction of the deflection system (7), with clamps or blades intended to permit, on deflection of the shaft (3), locking or braking of the device on rotation by grooving of the wall of the borehole.

7. Device according to any one of Claims 2 to 6, characterized in that the shaft (3) is a monobloc tubular transmission shaft made of composite materials or alloys having a high ratio between the fatigue limit under reversed bending stress and the Young's modulus, and said shaft does not contain sudden section changes, while just the ends of the shaft can optionally be threaded and can present joint grooves, and while the components such as roller bearings, annular gear and others are fitted on the shaft by thermal or mechanical hooping.

8. The device according to any one of Claims 2 to 6, characterized in that the respectively low and high connections are joined with the shaft (3) by threading combined with a hydraulically controlled hoop, ensuring the transmission of tensile and compressive axial stresses and torque to the drilling tool, respectively.

9. The device according to any one of Claims 2 to 8, characterized in that a front scraper joint and gasket assembly or a metal, plastic and/or laminated elastomer bellow ensures tightness at the interface between the main body (1) and the steerable housing (2).

10. The device according to any one of Claims 2 to 9, characterized in that the deflection system (7) is formed, in the case of a static connection device, by two radially eccentric rings, a ball joint and a sliding pivot connection, as well as by a prestressed spring, deflection then being obtained by differential rotation of the two rings.

11. The device according to any one of Claims 2 to 10, characterized in that the main body (1) integrates a detector of rotation of the boring rods that is advantageously entirely mechanical or in "rotary mode with straight shaft" for an autonomous activation of the case, without resorting to a surface/bottom transmission.

12. The device according to Claim 2 or 3, characterized in that it contains one or more generators (19a) in a barrel arrangement around the shaft (3) and driven by the latter by means of a pinion-step-up gear assembly (18), the said generators being preferably coupled to one or more rectifiers that can be coupled in series or in parallel for a wide speed range, and a plurality of high-capacity capacitors, in order to serve as battery during rotation-free operation of the shaft (3).

13. Device according to Claim 2 or 3, characterized in that it contains one or more hydraulic pumps (19b) in a barrel arrangement around the shaft (3) and driven by the latter by means of a pinion-step-up gear assembly (18).

14. The device according to one of Claims 12 or 13, characterized in that it contains a rearranged assembly of pumps, generators, solenoid valves, jacks and overpressure valves, set up to activate the deflection system (7), said pumps and said generators being coaxial and sharing the same driving pinion.

15. The device according to any one of Claims 2 to 14, characterized in that it contains means for real time measurement of the torsional angle of the shaft (3) between the bearings (4) and (6), as measurement of the torque at the drilling tool/bit (16).

16. A method for making boreholes necessitating precise control of trajectory, characterized in that at least one device according to any one of Claims 1 to 15 is supplied and put into operation.

17. A method according to Claim 16, characterized in that the shaft (3) is bent by means of the deflection system (7) by essentially radial displacement of the steerable case (2) in relation to the main body (1) and/or in relation to the traversing transmission shaft (3).

18. A method according to Claim 16, characterized in that it further involves analysis of the variations of signals from the generator or generators, with a view to the detection of a malfunction, such as excess speed or chatter.

Ansprüche

1. Ausrichtungsvorrichtung für Bohrwerkzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass sie von links nach rechts fortlaufend enthält:

- einen Hauptkörper (1) und ein ausrichtbares Gehäuse (2),

- ein Ablenksystem (7) und

- eine Antriebswelle (3) die diese longitudinal durchquert, wobei die Antriebswelle (3) biegsam oder flexibel ist und mit dem Hauptkörper (1) und dem ausrichtbaren Gehäuse (2) durch mindestens drei Verbindungen, die Lager (4, 5, 6) ausbilden, verbunden ist, währenddessen die gelenkige Verbindung zwischen dem Hauptkörper (1) und der Welle (3) realisiert wird, mittels (A) eines sogenannten oberen Lagers (4), und (B) eines sogenannten mittleren Lagers (6), wobei diese beiden Lager sich in der Nähe der zwei entsprechenden Enden des Hauptkörpers (1) befinden, und wobei sich das mittlere Lager (6) neben dem ausrichtbaren Gehäuse (2) befindet, währenddessen die gelenkige Verbindung zwischen dem ausrichtbaren Gehäuse und der Welle (3) mittels eines so genannten unteren Lagers (5) realisiert wird, das sich in der Nähe des Endes des ausrichtbaren Gehäuses (2) neben dem Bohrwerkzeug/Bohrer (Bohreinsatz) (16) befindet und währenddessen das Ablenksystem (7) die Ausrichtung durch relative im Wesentlichen radiale Verschiebung des Hauptkörpers (1) in Bezug auf das ausrichtbare Gehäuse (2) in der Nähe deren Schnittstelle bewirkt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (3) mit den Hauptkörper (1) und dem ausrichtbaren Gehäuse (2) verbunden ist, durch jeweils:

• ein erstes Lager (4), das durch wenigstens eine gelenkige, gelenkig gleitende, kugelgelenkige oder linear ringförmige Verbindung ausgebildet ist und

• ein zweites Lager (5), das durch wenigstens eine gelenkige Verbindung ausgebildet ist, währenddessen

• ein drittes Lager (6), das durch eine Verbindung des gelenkigen, gelenkig gleitenden, linear ringförmigen oder kugelgelenkigen Typs zwischen der Antriebswelle (3) und dem Hauptkörper (1) ausgebildet ist, und wobei es in der Nähe des Endes des Hauptkörpers angeordnet ist, das sich neben dem ausrichtbaren Gehäuse (2) befindet.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass:

der Hauptkörper (1) optional an seiner Außenseite mit einem Stützkissen (Lagersegment) (9) ausgestattet ist, mit einem Durchmesser kleiner oder gleich dem Durchmesser des Werkzeugs/Bohrers (Bohreinsatzes) (16), und

das ausrichtbare Gehäuse (2) optional an seiner Außenseite mit Stützkissen (Lagersegmenten) (10a) ausgestattet ist, mit einem Durchmesser kleiner oder gleich dem Durchmesser des Werkzeugs/Bohrers (Bohrereinsatzes) (16) in Richtung seines Endes, das neben dem Werkzeug/Bohrer (Bohrereinsatz) angeordnet ist und mit festen oder expandierbaren Segmenten oder Klammern (10b) in Richtung seines Endes, das neben dem Hauptkörper (1) angeordnet ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenksystem (7) dazu bestimmt ist, eine Biegung durch im Wesentlichen radiale Verschiebung des oberen Endes des ausrichtbaren Gehäuses (2) bezogen auf das untere Ende des Hauptkörpers (1) zu ermöglichen, durch Auflage/Lagerung auf entweder der Antriebswelle (3) oder dem Hauptkörper (1) oder auf der Bohrlochwand.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (4, 5, 6) entweder aus Radlagern insbesondere, Kugellagern, Kegelrollenlager, Zylinderrollenlagern oder Nadellagern, die bevorzugt vorgespannt sind, oder aus hydrodynamischen Lagern, insbesondere auf Basis von Öl oder Bohrschlamm, oder Kombination davon zusammengesetzt sind.

6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie konzipiert ist, um eine dynamische Verbindung herzustellen, und am Ende des ausrichtbaren Gehäuses (2), das neben dem Ablenksystems (7) angeordnet ist, mit Klammern oder Messern ausgestattet ist, die dazu bestimmt sind bei der Auslenkung der Welle (3) das Anhalten durch Blockieren oder Abbremsen durch Drehung der Vorrichtung durch Rillen der Bohrlochwand zu ermöglichen.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) eine röhrenförmige einteilige Antriebswelle ist, die aus Verbundmaterialien oder einer Legierung mit einem erhöhten Verhältnis zwischen der Biegewechselfestigkeit und dem Elastizitätsmodul hergestellt ist und die Welle keine abrupten Abschnittsänderungen enthält, so dass nur die Enden der Welle optional mit einem Gewinde versehen werden können und Dichtungsrillen aufweisen können und währenddessen die Bauteile wie Radlager, Zahnkranz, Lager und andere auf der Welle durch thermisches oder mechanisches Schrumpfen befestigt sind.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils untere und obere Verbindung mit der Welle (3) durch ein Gewinde bewirkt wird, das mit einer hydraulisch gesteuerten mechanischen Bandage verbunden ist, so dass die Übertragung von axialen Traktion- und Kompressionskräften bzw. eines Drehmoments auf das Bohrwerkzeug sichergestellt ist.

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einheit aus Abstreiferdichtung und Frontabdichtung oder eines Balgs aus Metall, Kunststoff und/oder laminierten Elastomers, die Abdichtung der Grenzfläche zwischen dem Hauptkörper (1) und dem ausrichtbaren Gehäuse (2) sicherstellt.

10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenksystem (7) im Fall einer statischen Verbindungsvorrichtung, mittels zweier radial exzentrischer Ringe, eines Kugelgelenks und einer Gleitschwenkverbindung sowie einer Vorspannungsfeder ausgebildet ist, wobei die Auslenkung dann durch differenzielle Rotation der beiden Ringe erreicht wird.

11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkörper (1) einen Detektor der Rotation des Bohrgestänges beinhaltet, der vorzugsweise vollständig mechanisch oder im Modus "Rotation mit gerader Welle" ist, für eine selbständige Aktivierung des Gehäuses, ohne von einer Oberflächen/Bodentransmission Gebrauch zu machen.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen oder mehrere Generatoren (19a) aufweist, die in einem Zylinder um die Welle (3) angeordnet sind und von letzteren durch Vermittlung einer Ritzel/Kranz Multipliziereinheit (18) angetrieben wird, wobei die Generatoren vorzugsweise mit einem oder mehreren Gleichrichtern gekoppelt sind, die in Serie oder parallel für einen großen Geschwindigkeitsbereich gekoppelt sein können, und eine Vielzahl von Kondensatoren mit hoher Kapazität, um in Abwesenheit der Rotation der Welle (3) während des Betriebs als Batterie zu dienen.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere Hydraulikpumpen (19b), die in einem Zylinder um die Welle (3) angeordnet sind, aufweist und von letzteren durch Vermittlung einer Ritzel/Kranz Multipliziereinheit (18) angetrieben wird.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einheit zusammengestellt aus Pumpen, Generatoren, Magnetventilen, Winden und Überdruckventilen aufweist, die angeordnet ist, um das Ablenkungssystem (7) aktivieren zu können, wobei die Pumpen und Generatoren koaxial angeordnet werden und dasselbe Antriebszahnrad teilen.

15. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Echtzeitmessung des Torsionswinkels der Welle (3) zwischen den Lagern (4) und (6) als Drehmomentmessung des Bohrwerkzeugs/Bohrers (Bohreinsatzes) (16) aufweist.

16. Verfahren zum Herstellen von Bohrungen (Bohrlöchern), die eine präzise Steuerung der Bahn erfordern, dadurch gekennzeichnet, dass man wenigstens eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 bereitstellt und in Betrieb setzt.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass man die Biegung der Welle (3) mittels des Ablenksystem (7) durch im Wesentlichen radiale Verschiebung des ausrichtbaren Gehäuses (2) in Bezug auf den Hauptkörper (1) und/oder in Bezug auf die ihn durchquerende Antriebswelle (3) erzielt.

18. Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es unter anderem die Analyse der Variationen der Signale des oder der Generatoren beinhaltet, im Hinblick auf das Erkennen einer Fehlfunktion wie zum Beispiel einer Überdrehzahl oder einer Unregelmäßigkeit.

Dessins