La présente invention concerne le forage du sous-sol.
Elle s'applique notamment à la recherche ou à l'exploitation de gisements de pétrole ou de gaz, ou de nappes d'eau, chaude ou non, lorsque les circonstances ne permettent pas ou ne rendent pas souhaitable d'atteindre une cible souterraine par le forage d'un puits rectiligne vertical ou oblique. Un obstacle en sous-sol, même connu à l'avance, peut par exemple amener à changer l'inclinaison ou l'azimut du forage en un point situé à plus ou moins grande profondeur. Il en est de même lorsqu'une couche de faible hauteur plus ou moins inclinée, voire horizontale, doit être parcourue sur une grande longueur par le puits foré.
Dans de tels cas des déviations du puits doivent être prévues dès le départ.
De plus, même dans le cas d'un forage vertical, il arrive que les roches rencontrées provoquent une déviation non souhaitée de l'axe du forage. Cette déviation parasite doit être compensée par une déviation volontaire qui peut être appelée "déviation de correction". Quelle que soit la raison qui les rend nécessaires, les opérations de déviation débutent alors par la mesure de l'inclinaison et de l'azimut de l'axe du tronçon de puits en cours de forage, ainsi que de la position atteinte, cette dernière mesure résultant de la détermination des longueurs, des inclinaisons et des azimuts de tous les tronçons déjà forés. Ces opérations de mesure étant faites, il convient de réaliser la déviation. Un procédé de forage utilisé pour cela comporte une succession d'étapes de forage distinctes, à savoir des étapes de forage rectiligne au cours de chacune desquelles on fore un tronçon de puits rectiligne présentant un axe rectiligne, et au moins une étape de forage courbe. Cette dernière est interposée entre deux étapes de forage rectiligne. Pendant sa durée on fore un tronçon de puits courbe dont l'axe est incurvé sensiblement en arc de cercle et se raccorde à l'axe du tronçon de puits rectiligne précédent. De même l'axe du tronçon rectiligne suivant se raccordera à celui de ce tronçon courbe.
On utilise, au cours de chacune de ces étapes de forage, un outil d'attaque présentant un axe selon une direction haut-bas (arrière-avant si le forage est horizontal), et propre à attaquer vers le bas (l'avant) et éventuellement latéralement la roche au fond du puits. Un moteur de fond est fixé au dessus (à l'arrière) de cet outil pour l'entrainer, et présente un axe dans le prolongement de celui de l'outil. Des tubes, appelés dans le métier tiges de forage, sont fixés au-dessus (à l'arrière) de ce moteur les unes à la suite des autres et forment un "train" jusqu'à la bouche du puits pour amener au fond une boue de forage sous pression qui transporte l'énergie nécessaire au moteur, pour commander depuis la surface du sol la force d'appui de l'outil contre la roche, pour éventuellement entraîner l'ensemble en rotation, et pour porter l'outil et le moteur lorsqu'on les remonte ou les redescend dans le puits.
(De manière générale, il doit être compris que les expressions telles que haut et bas, ou supérieur et inférieur, etc. doivent être remplacées ci-après par arrière et avant ou postérieur et antérieur etc., respectivement, lorsque le forage progresse horizontalement).
Les tiges présentent des axes prolongeant celui du moteur et se prolongeant les uns les autres. Leur nombre est progressivement augmenté par adjonction de nouvelles tiges au fur et à mesure de l'approfondissement du puits. Les diamètres de ce moteur et de ces tiges sont inférieurs au diamètre de forage normal creusé par l'outil et les tiges présentent une flexibilité suffisante pour que la colonne de forage constituée par les éléments décrits ci-dessus puisse suivre les tronçons de forage courbes.
Il est connu de réaliser les étapes de forage courbe en incorporant un dispositif de déviation dans la colonne de forage au sommet du moteur de fond qui entraîne l'outil d'attaque. Ce dispositif est un raccord coudé qui incline l'axe commun de l'outil par rapport à celui du reste de la colonne. Le moteur de fond peut aussi être lui même coudé. Un autre procédé de déviation utilise des stabilisateurs excentrés. Un tel stabilisateur forme au moins une saillie radiale dissymétrique dont le sommet est à une distance de l'axe de la colonne légèrement supérieure à un rayon normal égal à la moitié du diamètre de forage normal. Il s'appuie donc contre la paroi du puits de forage et écarte l'axe du moteur de fond de l'axe du puits avec flexion élastique de la colonne, de manière à décaler angulairement la direction d'attaque de l'outil par rapport à l'axe du tronçon de puits en cours de forage et à donner ainsi à ce tronçon la forme courbe souhaitée.
Le moteur de fond est généralement une turbine ou un moteur du type Moineau.
Dans certains de ces procédés connus, on remonte toute la colonne de forage chaque fois que l'on veut forer un tronçon rectiligne après un tronçon courbe, pour permettre d'enlever le dispositif de déviation tel que raccord coudé, le moteur coudé ou les stabilisateurs excentrés, et aussi chaque fois que l'on veut effectuer une nouvelle déviation, car il faut alors remettre ce dispositif en place. Ces manoeuvres de montée et descente de la colonne de forage comportent notamment le démontage et le remontage de toutes les tiges de la colonne, successivement. Elles prennent une fraction importante du temps nécessaire à la réalisation d'une déviation, cette réalisation incluant les opérations de mesure précédemment indiquées et le forage du tronçon de puits courbe qui assure le changement de direction souhaité. Or ce temps constitue un éléments important du coût d'un forage.
Selon un autre procédé connu utilisant des stabilisateurs excentrés le forage d'un tronçon rectiligne est obtenu, après celui d'un tronçon courbe, grâce à une remise en rotation de la colonne de forage. L'outil fore alors un trou de diamètre élargi. Cette méthode évite les opérations onéreuses de remotée et de redescente de la garniture, mais elle présente l'inconvénient de solliciter le moteur de fond par des contraintes de flexion importantes.
Cet autre procédé connu est par exemple décrit dans la demande de brevet européen EP-A 0 085 444 (Shell)
D'autres procédés connus encore utilisent un dispositif déviateur commandable notamment un raccord coudé commandable constituant un tronçon de la colonne de forage au-dessus du moteur de fond. Un tel dispositif prend sur commande soit, pendant les étapes de forage courbe, une configuration coudée, soit pendant les étapes de forage, une configuration rectiligne qui maintient ou rétablit la rectilinéarité de la colonne. Il comporte deux manchons successifs qui peuvent pivoter l'un par rapport à l'autre autour d'un axe de pivotement faisant un même petit angle avec les axes de ces deux manchons. Le pivotement est commandé soit avec l'aide de déplacement axiaux de la partie supérieure de la colonne soit à l'aide d'un moteur de pivotement entraînant un engrenage comme décrit dans le brevet US-A 4 303 135 (Benoit).
De tels dispositifs déviateurs commandables présentent l'inconvénient d'être complexes.
La présente invention a pour but de faire succéder des étapes de forage courbes et de forage rectiligne sans pertes de temps tout en faisant travailler l'outil de forage dans des conditions toujours bonnes, ceci à l'aide d'un dispositif déviateur commandable plus simple que selon le brevet Benoit précité.
Elle a notamment pour objet une colonne de forage pour forage à déviations, cette colonne présentant un axe en tous points de sa longueur et comportant, comme connu par le brevet Benoit précité,
La colonne selon l'invention est caractérisé par le fait que lesdits moyens de pivotement du dispositif déviateur permettent seulement au manchon inférieur une rotation sur un secteur angulaire de pivotement limité autour dudit axe de pivotement, lesdites positions d'alignement et de déviation étant définies par des butées aux deux extrémités de ce secteur,
- cette colonne comportant, au dessous du dispositif déviateur et au dessus de l'outil, un organe frottant contre la paroi du puits pour qu'un entraînement en rotation de cette colonne de forage dans un sens normal fasse apparaître un couple de frottement qui amène le manchon inférieur en butée à ladite extrémité d'alignement du secteur de pivotement, et pour qu'un entrainement en rotation de la colonne de forage dans le sens inverse fasse apparaître un couple de frottement qui amène ce manchon en butée à ladite extrémité de déviation, des moyens étant prévus pour maintenir ce manchon à cette extrémité de déviation en l'absence de rotation de la colonne.
Selon une disposition préférée ledit dispositif déviateur est placé entre ledit élement actif de moteur et ledit élément de pivoterie et il est traversé axialement par un accouplement assurant la transmission du mouvement de ce moteur audit arbre d'outil, ce moteur entrainant cet accouplement en rotation dans ledit sens normal, pour que le frottement de cet arbre dans cet élément de pivoterie tende à entraîner et à maintenir ledit manchon inférieur en butée à ladite extrémité de déviation en l'absence de rotation de la colonne de forage.
Ledit organe frottant est avantageusement constitué par un stabilisateur qui est utilisé en même temps de manière connue pour maintenir la colonne dans l'axe du puits au voisinage de l'outil et pour guider ainsi ce dernier.
Lesdits moyens de pivotement sont constitués par un pivot de forme générale tubulaire allongée selon ledit axe de pivotement, avec une surface latérale constituant des portées de guidage qui sont cylindriques de révolution autour de cet axe et qui coopèrent avec la surface intérieure d'un logement formé dans l'un desdits manchons qui constitue un manchon mobile, pour guider la rotation de ce manchon mobile, ce pivot comportant également un épaulement de retenue coopérant avec un épaulement interne de ce manchon pour empêcher son déplacement axial et le maintenir au contact de l'autre desdits manchons, qui est un manchon fixe, ce pivot comportant encore des moyens de retenue et des moyens de blocage angulaire pour l'immobiliser dans ledit manchon fixe, ce pivot ou ce manchon mobile comportant enfin une saillie s'étendant dans un secteur angulaire évidé pratiqué dans ce manchon mobile ou ce pivot, respectivement, pour permettre ladite rotation du manchon inférieur par rapport au manchon supérieur sur un secteur angulaire limité.
La présente invention a également pour objet un procédé de forage de puits avec déviations, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'on utilise une colonne selon la revendication 1,
De préférence, dans ce procédé, lors du passage à une étape de forage courbe, après ladite étape de poursuite limitée de l'entraînement en rotation de la colonne de forage dans le sens inverse, on prévoit une étape de détorsion de colonnes au cours de laquelle la colonne de forage est entraînée en rotation dans le sens normal pour éviter que le couple de torsion élastique qui est apparu dans la colonne entraîne ultérieurement l'axe dudit manchon inférieur à dépasser ledit plan de courbure.
A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va décrire plus particulièrement ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence.
Conformément à la figure 1 la partie inférieure d'une colonne de forage généralement cylindrique de révolution est entrainée en rotation à partir du sol, à une petite vitesse, par exemple 80 tours par minute, dans un sens que l'on peut appeler "sens normal", de manière notamment à faciliter la descente de la colonne au fur et à mesure du travail de l'outil de forage 51.
Une boue de forage est injectée dans le train de tiges à partir de la surface du sol. Elle traverse successivement, de haut en bas,
La référence 60 désigne 1'"ensemble moteur" comprenant le moteur proprement dit 50, la cartouche de pivoterie 30 et le stabilisateur 31.
La boue sortant par l'outil de forage 51 remonte de la manière classique autour de la colonne de forage jusqu'à la surface du sol en entrainant les débris de roche formés par le travail de l'outil.
La même partie de la colonne est représentée sur la figure 2 avec le dispositif déviateur selon l'invention dans sa configuration coudée pour forer un tronçon de puits courbe.
Sur la figure 3 le dispositif déviateur selon l'invention est représenté dans sa configuration rectiligne. Il présente les dispositions précédemment mentionnées selon l'invention.
Il comporte:
Des faces 8 du manchon 1 et 9 du manchon 2 sont des faces de section planes en appui l'une contre l'autre. Elles sont obliques par rapport à l'axe commun 10, 10A des surfaces extérieures 11 et 12 de ces manchons: Leur plan coupe l'axe 10 en un point 0 et est très légèrement écarté du plan perpendiculaire en 0 à l'axe 10. Leur axe 14 passant par 0 est également l'axe du pivot 3 et fait un angle A très faible avec l'axe 10, par exemple de 0 à 10 degrés.
Le raccord est prêt à être utilisé lorsque l'écrou 4 est bloqué sur le pivot 3 et que sa face 15 et l'épaulement 5 sont appuyés sans jeu sur les faces de logements correspondants usinés dans les manchons 1 et 2.
La clavette 6 du pivot 3 est ajustée dans le manchon 2 et s'y appuye sur ses faces 21 et 22.
Par contre, lors de la rotation du pivot, elle évolue entre les faces d'extrémités 23 et 24 d'un logement en forme de secteur angulaire plus large usiné dans le manchon 1. Son angle de pivotement constitue le secteur angulaire de pivotement précédemment mentionné.
Lors du forage rectiligne, le manchon 2 est entraîné en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre constituant le sens normal précédemment mentionné. Le manchon 1, lié à la cartouche de pivoterie 30, elle-même équipée d'un stabilisateur 31, est ralenti par le frottement du stabilisateur 31 sur le terrain.
L'entraînement du manchon 2 provoque celui du pivot 3 par la clavette 6. Cette dernière vient alors en appui sur la face 24 du secteur angulaire usiné dans le manchon. Cette position correspond à la coincidence des axes 10 et 10A.
Quand on effectue une rotation inverse de quelques tours, le frottement du stabilisateur 31 sur le terrain s'oppose à ce mouvement. Le manchon 2 entraîne donc le pivot 3 à tourner, la clavette 6 venant au contact de la face d'extrémité 23. Cette rotation angulaire relative s'effectue autour de l'axe oblique 14 du pivot 3 et avec glissement rotatif des faces 8 et 9 l'une sur l'autre. En conséquence de cette rotation d'angle R, les axes 10 et 10A ne sont plus confondus mais font un angle D: D = 2A sin R/2
Si par exemple on usine le logement 23, 24 pour avoir R = 60°, on obtient D = A
On voit dans la formule ci-dessus que l'angle de déviation D du raccord dépend du choix des deux variables A, l'angle dit d'inclinaison de pivot, et R, l'angle dit de secteur de pivotement.
Les deux axes 10 et 10A n'étant plus confondus, les arbres de transmission de mouvement 40 et 41 contenus et guidés dans les deux manchons 50 et 30 ne sont plus alignés; en conséquence le raccord coudé est situé au droit d'un accouplement universel 39 du type cardan par exemple qui assure la transmission du couple de l'élément moteur 50 à l'outil 51 tout en autorisant les inclinaisons relatives des deux arbres 40 et 41 de l'élément moteur et de la cartouche de pivoterie. Dans cette configuration l'angle des deux manchons permet donc, après orientation par les moyens classiques, d'exécuter l'opération de déviation.
Il est à noter que les moteurs volumétriques de type Moineau se prêtent particulièrement bien à ce type de raccord, mais son utilisation peut être étendue sans problème aux moteurs turbines.
L'opération de déviation effectuée et contrôlée, la simple reprise de rotation directe de la garniture permet la reprise de la configuration de forage rectiligne dans les conditions adéquates.
Il apparait que le dispositif selon l'invention permet de combiner dans le forage les avantages de l'utilisation d'un raccord coudé et ceux de la méthode dans laquelle le forage rectiligne résulte de la rotation d'un stabilisateur excentré, et ceci sans en avoir les inconvénients. Il permet en outre d'effectuer chacune des deux opérations dans la configuration la mieux adaptée à celle-ci.
Il apparaît particulièrement avantageux dans le cas des déviations "de correction" précédemment mentionnées.