DISPOSITIF DE REGLAGE DE L'AZIMUT DE LA TRAJECTOIRE D'UN OUTIL DE FORAGE EN MODE ROTARY

Description

[0001] L'invention concerne un dispositif de réglage de l'azimut de la trajectoire d'un outil de forage en mode rotary.

[0002] Dans le cas du forage rotary, l'outil de forage est entraîné en rotation par un train de tiges dont une extrémité située en surface est reliée à un moyen d'entraînement en rotation.

[0003] L'effort axial sur l'outil est également exercé par l'intermédiaire du train de tiges.

[0004] Dans les techniques actuelles de forage et en particulier dans le cas du forage pétrolier, on connaît des procédés et des dispositifs permettant d'effectuer un certain réglage à distance de la trajectoire de l'outil de forage.

[0005] Ce réglage peut être relatif à l'inclinaison de la trajectoire, c'est-à-dire à l'angle de cette trajectoire avec la verticale ou à l'azimut de la trajectoire, c'est-à-dire à la position angulaire d'un plan de forage vertical contenant l'axe du trou ou puits, par rapport à une direction prédéterminée qui est de préférence la direction du nord magnétique.

[0006] Les dispositifs et procédés connus à ce jour pour réaliser un réglage de l'azimut de la trajectoire d'un outil de forage rotary font appel à des moyens mécaniques ou électroniques complexes comportant plusieurs pièces mobiles et imposant soit un ancrage mécanique d'une partie du dispositif à l'intérieur du trou dont on réalise le forage soit un repérage électronique des moyens de réglage par rapport au plan vertical de forage contenant l'axe du trou ou puits en cours de forage.

[0007] Le document US-A-3.092.188 décrit un outil de réglage d'azimut en forage rotary, l'outil comportant deux patins articulés coopérant ensemble pour qu'à chaque rotation l'un des patins se déplace pour s'appuyer contre la paroi du puits pour pousser l'outil à droite ou à gauche.

[0008] Les dispositifs selon l'art antérieur qui sont utilisés pour effectuer un réglage de trajectoire d'un outil de forage comportent des moyens permettant de dévier la trajectoire dans le sens voulu qui sont reliés au train de tiges et qui comportent des surfaces d'appui sur la surface du trou ou puits de forage désaxées par rapport au train de tiges. Lorsque les moyens de réglage de la trajectoire sont mis en service, les surfaces d'appui viennent en contact avec la surface intérieure du trou dans une orientation voulue.

[0009] La mise en place et l'actionnement de tels dispositifs de réglage sont généralement complexes. Ils imposent une immobilisation desdits dispositifs par rapport à la paroi du trou de forage et impliquent l'utilisation d'un moteur de fond.

[0010] Le but de l'invention est de proposer une combinaison comportant un outil, un train de tiges et un dispositif de réglage de l'azimut de la trajectoire de l'outil de forage en mode rotary fixé à l'extrémité du train de tiges en rotation autour de son axe disposé sensiblement suivant un plan vertical pendant le forage d'un trou, l'azimut de la trajectoire étant défini par la position angulaire du plan vertical ou plan de forage par rapport à une direction de référence, ce dispositif ne nécessitant aucun ancrage dans le puits ni aucun repérage des moyens de réglage par rapport au plan de forage et permettant de réaliser un réglage de l'azimut, aussi bien vers la droite que vers la gauche du plan de forage, dans le sens d'avancement du forage.

[0011] Dans ce but, le dispositif suivant l'invention est constitué par au moins un élément de train de tiges solidaire du train de tiges en rotation et fixé sur le train de tiges au voisinage de l'outil, comportant en section transversale des parties dont les surfaces externes d'appui sont disposées suivant une surface cylindrique ayant un axe confondu ou sensiblement confondu avec l'axe du train de tiges et un diamètre maximal égal ou sensiblement égal au diamètre nominal du trou à forer, réparties autour de l'axe du train de tiges, de manière à engendrer, pendant la rotation du train de tiges, par réaction de la paroi du trou sur l'élément, des forces de basculement de l'outil de forage en dehors du plan de forage soit à droite, soit à gauche du plan de forage, pendant une partie d'une rotation d'un tour complet du train de tiges et à maintenir le train de tiges sensiblement suivant l'axe du trou pendant la partie restante de la rotation.

[0012] L'élément du train de tiges comporte au moins trois parties en saillie radiales dirigées vers l'extérieur et disposées sensiblement à 90° les unes des autres autour de l'axe de la garniture, l'une des parties d'appui comportant une surface externe d'appui d'une dimension sensiblement inférieure à la dimension des surfaces externes d'appui des deux autres parties en saillie et la partie d'appui ayant une surface externe d'appui de petite dimension étant placée dans une position sensiblement opposée diamétralement par rapport à l'une des parties d'appui comportant une surface externe d'appui de grande dimension, de telle sorte que l'élément comporte au moins une partie d'appui d'un côté d'un plan axial de basculement passant par la partie d'appui ayant une surface externe d'appui de petite dimension et de l'autre côté du plan de basculement une partie dont la surface externe est située à une distance de l'axe (14) inférieure d'une valeur (e) au rayon de la surface cylindrique définie par les parties d'appui.

[0013] Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, plusieurs modes de réalisation d'un dispositif de réglage de l'azimut de la trajectoire d'un outil de forage en mode rotary, suivant l'invention.

[0014] La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de forage rotary.

[0015] La figure 2 est une vue en perspective schématique d'un outil de forage rotary auquel est associée un élément de réglage suivant l'invention.

[0016] La figure 3 est un diagramme montrant le principe de fonctionnement du dispositif de réglage d'azimut suivant l'invention.

[0017] La figure 4 est une représentation des forces mises en jeu au niveau de l'élément de réglage, dans un plan perpendiculaire à l'axe du train de tiges.

[0018] La figure 5 est une vue en élévation d'un élément de réglage suivant l'invention.

[0019] La figure 6 est une vue en coupe transversale suivant 6-6 de la figure 5, dans le cas d'un élément de réglage permettant d'engendrer des forces de basculement du train de tiges vers la droite.

[0020] La figure 7 est une vue en coupe transversale analogue à la vue de la figure 6 d'un élément de réglage permettant d'engendrer des forces de basculement du train de tiges vers la gauche.

[0021] La figure 8 est une vue en coupe transversale analogue aux vues des figures 6 et 7 d'un élément de réglage à lames à diamètre variable permettant d'engendrer des forces de basculement du train de tiges soit vers la droite soit vers la gauche.

[0022] Sur la figure 1, on voit un dispositif de forage rotary 1 dont le train de tiges 2 porte à son extrémité un outil de forage 3 en cours d'avancement pour réaliser le trou de forage 4.

[0023] L'extrémité du train de tiges située à l'opposé de l'outil 3 est reliée à un dispositif d'entraînement en rotation 5 du train de tiges 2 autour de son axe.

[0024] La tige 2a située à la partie supérieure du train de tiges 2 présente une section carrée et le moyen d'entraînement en rotation 5 du train de tiges est constitué par une table de rotation horizontale traversée par une ouverture permettant l'engagement de la tige à section carrée. La mise en rotation de la table par un ensemble moteur permet d'entraîner la tige à section carrée 2a et le train de tiges 2 en rotation tout en permettant le déplacement axial du train de tiges pour réaliser le forage.

[0025] La partie basse du train de tiges étant maintenue en compression exercera une force de direction axiale sur le train de tiges et sur l'outil permettant son application avec une pression suffisante sur le fond du trou de forage 4.

[0026] En outre, l'extrémité supérieure du train de tiges constituant sa première extrémité, opposée à la seconde extrémité reliée à l'outil de forage 3, comporte une tête d'injection de fluide de forage 6 reliée à la première tige 2a de manière à injecter dans son alésage intérieur le fluide de forage sous pression. Le fluide de forage circule dans la direction axiale, à l'intérieur du train de tiges et sur toute sa longueur de manière à parvenir jusqu'à la partie inférieure du dispositif de forage, au niveau de l'outil 3. Le fluide de forage réalise le balayage du fond du trou de forage 4 puis remonte vers la surface dans l'espace annulaire situé entre le train de tiges et la paroi du trou de forage en réalisant l'entraînement des débris de roche arrachés par l'outil de forage 3.

[0027] Le fluide de forage chargé de débris est récupéré en surface, séparé des débris et recyclé dans un réservoir 7. Une pompe 8 permet de renvoyer le fluide de forage dans la tête d'injection 6.

[0028] Le dispositif de forage 1 comporte, dans sa partie inférieure, un élément de train de tiges de forage constituant un dispositif de réglage d'azimut 10 suivant l'invention qui sera décrit plus en détail en se référant à la figure 5 et aux figures 6 à 8.

[0029] L'élément de réglage 10 est relié directement à l'outil de forage 3, par l'intermédiaire d'une zone de jonction 15 définissant une face d'appui de la garniture 10 sur l'outil 3.

[0030] Sur la figure 2, on voit l'outil 3 relié à l'élément de réglage 10, par l'intermédiaire de la zone de jonction 15, l'élément 10 étant lui-même relié au tronçon supérieur 16 du train de tiges, comme représenté sur la figure 1. L'outil de forage 3 est mis en rotation autour de l'axe 14 du train de tiges, de manière à effectuer le forage du trou 4.

[0031] Sur la figure 1, le train de tiges est représenté dans une position verticale mais, dans le cas d'un forage directionnel, ce train de tiges présente une certaine inclinaison par rapport à la direction verticale.

[0032] Sur la figure 2, l'outil 3, l'élément et l'axe 14 du train de tiges confondu avec l'axe du trou 4 ont été représentés dans une position inclinée. L'axe 14 du train de tiges et du trou 4 est disposé dans un plan vertical appelé "plan de forage".

[0033] Pendant le forage, des forces sont exercées sur la surface du trou de forage en particulier par l'outil et se traduisent par des réactions transversales qui sont transmises à l'outil et qui permettent de régler la trajectoire de l'outil 3.

[0034] Ces réactions transversales comportent des composantes situées dans le plan de forage dont la résultante est schématisée sur la figure 2 par la flèche 17.

[0035] Ces réactions transversales comportent également des composantes perpendiculaires au plan de forage dont la résultante est schématisée sur la figure 2 par la flèche 18. Ces composantes transversales perpendiculaires au plan de forage permettent de régler l'azimut de la trajectoire, c'est-à-dire la position angulaire du plan de forage par rapport à une référence fixe. Cette résultante perpendiculaire au plan de forage peut être dirigée vers la droite ou vers la gauche, pour un observateur regardant dans la direction d'avancement du forage.

[0036] Cette résultante permet de réaliser un basculement du train de tiges vers la droite ou vers la gauche par rapport au plan de forage et donc un réglage de l'azimut de la trajectoire de l'outil par contrôle de la composante transversale 18.

[0037] Sur la figure 3, on a représenté la direction NM du nord magnétrique et la trace PF du plan de forage qui est le plan vertical contenant l'axe du trou de forage ou confondu avec l'axe 14 du train de tiges en position inclinée par rapport à la verticale pendant le forage, comme il est représenté sur la figure 2.

[0038] L'angle A déterminant la position angulaire du plan de forage par rapport au nord magnétique correspond à l'azimut dont on effectue le réglage.

[0039] Les forces transversales mises en jeu pendant le forage ont été représentées sur la figure 4, dans un plan perpendiculaire au plan et à la direction de forage, pour un observateur regardant dans la direction F opposée à la direction d'avancement du forage.

[0040] On a représenté sur la figure 4 la résultante des forces transversales dans le cas où cette résultante TD est dirigée vers le haut et vers la droite du plan de forage et dans le cas où cette résultante TG est dirigée vers le haut et vers la gauche du plan de forage PF. Les forces résultantes TD et TG ont une composante AN dans le plan de forage de direction verticale et dirigée vers le haut. Cette composante permet un réglage d'inclinaison du train de tiges et du trou. La résultante TD présente une composante azimutale ATD perpendiculaire au plan de forage et dirigée vers la droite.

[0041] La résultante TG présente une composante azimutale ATG perpendiculaire au plan de forage et dirigée vers la gauche.

[0042] Le dispositif de réglage d'azimut suivant l'invention est constitué par un élément 10 solidaire du train de tiges en rotation et placé au voisinage de l'outil qui est susceptible d'engendrer, pendant la rotation du train de tiges, par réaction de la paroi du trou sur l'élément, une force transversale telle que TD ou TG ayant une composante azimutale dirigée soit vers la droite soit vers la gauche, suivant la correction d'azimut à réaliser à un instant donné.

[0043] Sur la figure 5, on a représenté un élément 10 dont la forme profilée sera décrite ci-après qui est fixé à l'outil de forage 3, au niveau de la face d'appui 15, par sa partie inférieure, et au tronçon supérieur du train de tiges par son extrémité supérieure.

[0044] L'élément 10 présente une forme profilée aussi bien dans la direction axiale 14 du train de tiges que dans les plans transversaux 20 perpendiculaires à l'axe 14.

[0045] La forme de la section transversale de l'élément 10 a été représentée sur les figures 6, 7 et 8 dans trois cas différents.

[0046] Dans le cas d'un élément de réglage donné, les sections transversales de l'élément par les plans 20 successifs ont des formes similaires modifiées de manière progressive du fait du profilage de l'élément dans la direction axiale 14.

[0047] Suivant la forme des sections transversales, l'élément peut permettre de réaliser un basculement du train de tiges et de l'outil vers la droite du plan de forage (cas de la figure 6), vers la gauche du plan de forage (cas de la figure 7) ou encore soit vers la droite soit vers la gauche par commande de lames à diamètre variable (cas de la figure 8).

[0048] Dans tous les cas, le diamètre maximal de l'élément est sensiblement égal au diamètre nominal de la section transversale du trou 4.

[0049] Comme il est visible sur la figure 6, la section transversale de l'élément 10 présente des parties en saillie radiales 21, 22, 23 et 24 séparées par des parties en creux 25.

[0050] Les parties en saillie 21, 22 et 23 comportent des surfaces externes d'appui situées sur un cylindre ayant un axe confondu ou sensiblement confondu avec l'axe 14 du train de tiges et de l'élément et pour diamètre le diamètre du trou de forage 4.

[0051] La partie en saillie 24 comporte une surface externe en retrait d'une distance e par rapport à la surface intérieure du trou de forage 4.

[0052] Les parties en saillie 21, 22 et 23 constituent des lames d'appui comparables aux lames d'un stabilisateur de réglage de la trajectoire d'un outil de forage. Cependant, les parties en saillie de la garniture 10 présentent un diamètre maximal égal ou légèrement inférieur au diamètre nominal du trou de forage et le basculement du train de tiges par rapport au plan de forage est obtenu de manière dynamique, lors de la rotation de l'élément, sous l'effet de la réaction de la paroi du trou de forage sur l'élément dont les parties en saillie sont réparties circonférentiellement autour de l'axe de la garniture, de manière à créer une dissymétrie des efforts.

[0053] Dans le cas des stabilisateurs de type classique utilisés avec moteur de fond pour le contrôle de l'azimut, des efforts statiques transversaux sont créés par l'excentration permanente de l'axe des saillies par rapport à l'axe du train de tiges, ce qui impose donc une immobilisation dudit train de tiges pour effectuer le contrôle.

[0054] L'élément 10 comporte un canal central 26 de direction axiale permettant d'assurer une continuité de la circulation du fluide de forage entre le tronçon supérieur du train de tiges et l'outil de forage.

[0055] Comme il est visible sur la figure 5, les parties en saillie de l'élément 10 telles que la partie en saillie 22 peuvent être placées de manière que leur axe longitudinal tel que 27 soit incliné par rapport à l'axe 14 de l'élément et du train de tiges.

[0056] L'élément 10 comporte une partie centrale 28 dans laquelle les lames d'appui présentent un diamètre maximal correspondant sensiblement au diamètre nominal du trou de forage et deux parties inclinées 29 et 30 placées de part et d'autre de la partie 28 dans lesquelles le diamètre des lames d'appui est progressivement décroissant vers les extrémités de la garniture. Cette forme profilée dans la direction axiale 14 de l'élément permet de faciliter l'engagement et la progression de l'élément à l'intérieur du trou de forage.

[0057] Il est bien évident que les différents paramètres (angles ou dimensions) définissant la forme géométrique de l'élément 10 seront choisies par l'homme du métier, en fonction de l'utilisation du train de tiges.

[0058] Les caractéristiques essentielles de l'élément de réglage relatives à la forme et à la répartition des parties d'appui en saillie sont visibles sur la section transversale de cet élément représenté sur la figure 6.

[0059] Les parties d'appui 22 et 23 qui sont placées sensiblement à 90° l'une de l'autre autour de l'axe 14 de la garniture comportent des surfaces externes de forme sensiblement cylindrique dont la section transversale est constituée par un arc-de-cercle vu sous un angle β2 (ou β3) depuis l'axe 14 de l'élément. Les angles β2 et β3 sont sensiblement égaux.

[0060] La partie en saillie 21 présente une surface externe d'appui constituée par un arc de cercle dont l'angle d'ouverture β1 depuis l'axe 14 de l'élément est sensiblement inférieur à β2 et β3.

[0061] En outre, la partie en saillie 21 est décalée d'un angle γ par rapport à la direction diamétrale passant par le centre de la partie d'appui 23.

[0062] Sur la figure 6, l'élément 10 a été représenté dans une position déterminée pendant sa rotation à l'intérieur du trou de forage 4 dont l'axe 14 est incliné par rapport à la verticale.

[0063] La partie en saillie 23 de l'élément 10 se trouve à la partie supérieure du trou 4 et la partie 21 au voisinage de la génératrice inférieure du trou de forage 4. La section de l'élément représenté sur la figure 6 est vue dans une direction opposée à la direction d'avancement F du forage. La trace du plan de forage vertical PF correspond au diamètre de la section transversale de l'élément sur lequel est centrée la partie en saillie 23.

[0064] Le décalage γ de la partie en saillie 21 comportant la surface d'appui de petite dimension β1 est orienté vers la droite du plan de forage PF (suivant le sens inverse du forage).

[0065] La surface de l'élément 10, au niveau de la partie en saillie 21 est usinée en dépouille, de manière à constituer une partie en retrait inclinée d'un angle α par rapport à la perpendiculaire au diamètre correspondant à la trace du plan de forage PF.

[0066] Lorsque le train de tiges et l'élément sont mis en rotation, par exemple dans le sens de la flèche 31, les réactions de la paroi du trou sur l'élément 10 sont réparties de manière dissymétrique par rapport à l'axe 14 de l'élément, du fait de la répartition circonférentielle dissymétrique des surfaces externes d'appui des parties en saillie.

[0067] La résultante des forces transversales de réaction sera dirigée vers la droite du plan de forage PF si l'on considère la direction d'avancement du forage.

[0068] Un basculement de l'élément, de la tige de forage et de l'outil se produit donc vers la droite du plan de forage, ce qui permet de réaliser une certaine correction de l'azimut qui est déterminée par la forme de l'élément 10.

[0069] Au cours de la rotation du train de tiges et de l'élément de réglage dans le sens de la flèche 31, le basculement de l'élément et de la tige de forage vers la droite diminue progressivement alors que le basculement de la tige vers le bas augmente au cours de la rotation.

[0070] Lorsque l'élément a tourné d'un angle sensiblement égal à 90°, depuis sa position représentée sur la figure 6, le basculement de l'élément ne se produit plus que dans la direction verticale et vers le bas, c'est-à-dire dans le plan de forage.

[0071] Aucune correction d'azimut n'est effectuée pendant cette partie de la rotation.

[0072] Lorsque la partie d'appui 21 de l'élément se trouve au voisinage de la génératrice supérieure du trou de forage 4, après un demi-tour de l'élément, la partie en saillie 23 de l'élément est en appui sur la partie inférieure du trou et l'élément et le train de tiges sont maintenus parfaitement dans une direction correspondant à l'axe du trou.

[0073] Un basculement ne peut se produire que lorsque la partie d'appui 21 est revenue dans la partie inférieure du trou de forage. La correction d'azimut s'effectue toujours vers la droite, en utilisant la garniture telle que représentée sur la figure 6.

[0074] Le basculement de l'élément vers la droite pendant une partie de la rotation est rendu possible par l'absence de zone d'appui de l'élément 10 sur la paroi du trou de forage d'un côté du plan axial de la garniture passant par la zone d'appui 21 ayant un faible angle d'ouverture β1 et par la présence d'une zone d'appui 22 ayant un grand angle d'ouverture β2 de l'autre côté du plan axial passant par la zone d'appui 21.

[0075] Les paramètres essentiels de l'élément définissant sa forme géométrique sont l'angle d'ouverture faible β1 de l'une des zones d'appui, l'angle de décalage γ de cette zone à faible surface d'appui par rapport au plan axial passant par une zone d'appui à grande ouverture β3 et la distance e entre la surface externe de l'élément et la paroi du trou de forage, dans une zone opposée sensiblement diamétralement à une zone d'appui 22 à grand angle d'ouverture β2 intercalée entre les zones 21 et 23.

[0076] La géométrie de la zone d'appui 21 à faible ouverture est définie également par l'angle d'inclinaison α de la surface de raccordement de cette zone d'appui permettant le basculement vers la droite de l'élément.

[0077] Sur la figure 7, on a représenté un élément 10' permettant de réaliser un basculement du train de tiges et de l'outil de forage vers la gauche du plan de forage, au cours de la rotation du train de tiges et de l'élément.

[0078] La forme de la section transversale de l'élément 10' est symétrique de la forme de la section transversale de l'élément 10 représenté sur la figure 6, par rapport à la trace 32 (ou 32') du plan de forage, l'élément étant placé par rapport au plan de forage, dans sa position représentée sur la figure 6.

[0079] L'élément 10' comporte des parties en saillie 21', 22', 23' et 24'.

[0080] Les parties 21', 22', 23' sont situées sur un cylindre dont l'axe est confondu ou sensiblement confondu avec l'axe de l'élément et dont le diamètre correspond sensiblement au diamètre nominal du trou de forage.

[0081] Les parties d'appui 22', 23' qui sont disposées sensiblement à 90° l'une de l'autre autour de l'axe de l'élément ont une grande surface externe de contact avec la paroi du trou. La partie d'appui 21' présente une faible surface de contact et se trouve disposée avec un décalage angulaire d'un côté du plan de forage par rapport à la partie d'appui 23' à grande surface située dans la partie supérieure du trou de forage 4.

[0082] La quatrième partie en saillie 24' de l'élément 10' présente une surface d'appui externe dont la distance à l'axe 14' de l'élément est inférieure d'une longueur e au rayon de la section nominale du trou.

[0083] L'élément est usiné en dépouille à partir de la partie en saillie 21', de manière à permettre un basculement vers la gauche de l'élément et de l'outil, lorsque la garniture est dans une position voisine de la position représentée sur la figure 7.

[0084] Sur la figure 8, on a représenté un élément de réglage 40 suivant l'invention permettant de réaliser un réglage d'azimut, soit vers la gauche, soit vers la droite du plan de forage, dans le sens d'avancement de l'outil de forage.

[0085] L'élément 40 est intercalé sur le train de tiges et solidaire de ce train de tiges, au voisinage de l'outil de forage, de la manière qui a été décrite en ce qui concerne l'élément 10.

[0086] L'élément 40 comporte un corps sensiblement symétrique par rapport à un plan axial tel que le plan de trace PF sur la figure 8 qui correspond au plan de forage, lorsque l'élément est dans sa position représentée sur la figure 8.

[0087] Le corps de l'élément 40 comporte deux parties en saillie radiales 41 et 43 dont les sections transversales sont placées dans des positions sensiblement opposées diamétralement sur la section d'un cylindre ayant pour axe l'axe de l'élément et pour diamètre le diamètre nominal du trou de forage 4.

[0088] L'une des parties en saillie 41 comporte une surface externe d'appui de faibles dimensions, le corps de l'élément 40 étant usiné en dépouille de part et d'autre de la partie en saillie 41, avec des angles d'inclinaison αD et αG sensiblement égaux.

[0089] La partie d'appui 43 opposée à la partie d'appui 41 présente une forme cylindrique et une surface importante.

[0090] Le corps de l'élément 40 comporte également deux parties en saillie 42 et 44 dont le rayon est inférieur d'une longueur eG (ou eD) au rayon nominal du trou de forage 4.

[0091] Deux lames mobiles 45 et 46 dans la direction radiale sont montées respectivement à l'intérieur des parties en saillie 42 et 44 du corps de l'élément 40.

[0092] Les lames 45 et 46 peuvent être déplacées entre une position rétractée à l'intérieur du corps de l'élément 40 (lame 45) et une position extraite (lame 46).

[0093] Dans sa position extraite, la surface extérieure d'appui de la lame de forme sensiblement cylindrique se trouve placée suivant une surface cylindrique ayant pour axe l'axe 48 de l'élément et pour diamètre sensiblement le diamètre nominal du trou de forage 4.

[0094] Dans sa position rétractée, la lame se trouve entièrement logée dans le corps de l'élément 40, de manière qu'il subsiste une distance eD ou eG entre la surface externe de l'élément et la paroi intérieure du trou 4.

[0095] Les lames 45 et 46 peuvent être déplacées entre leur position rétractée et leur position extraite, par un dispositif d'actionnement à distance tel que décrit dans le brevet français 2.575.793 et qui peut être utilisé pour actionner les lames d'un stabilisateur à diamètre variable, comme décrit dans le brevet français 2.579.662. La commande d'un tel dispositif d'actionnement est assurée à distance en fixant le débit de circulation du fluide de forage dans le train de tiges à une valeur déterminée.

[0096] Le dispositif d'actionnement utilisé dans le cas de l'élément de réglage d'azimut représenté sur la figure 8 est tel qu'il permette de réaliser soit l'extraction de la lame 46 et le maintien en position rétractée de la lame 45, comme représenté sur la figure 8, ou au contraire l'extraction de la lame 45 et le maintien en position rétractée de la lame 46.

[0097] Dans sa configuration représentée sur la figure 8, l'élément de réglage 40 permet de réaliser une correction de l'azimut de la trajectoire d'un outil de forage vers la gauche.

[0098] La seconde configuration de l'élément de réglage 40 (lame 45 extraite et lame 46 rétractée) permet de réaliser une correction de l'azimut de la trajectoire vers la droite.

[0099] En utilisant le dispositif d'actionnement à distance des lames 45 et 46, on peut donc effectuer des corrections de la trajectoire, pendant la rotation du train de tiges, vers la droite ou vers la gauche.

[0100] Le dispositif de réglage suivant l'invention présente l'avantage d'effectuer un réglage dynamique de l'azimut, pendant la rotation du train de tiges et sans avoir à mettre en place et à orienter un dispositif mécanique complexe.

[0101] Dans le cas d'un élément comportant des lames qui peuvent être placées dans une position rétractée ou dans une position extraite, on peut réaliser des corrections d'azimut, successivement à droite et à gauche du plan de forage, pour maintenir la trajectoire de l'outil de forage, suivant une direction déterminée.

[0102] L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit.

[0103] C'est ainsi que la forme géométrique de la section transversale de l'élément de réglage peut être différente de la forme qui a été décrite. Cet élément de réglage peut comporter un nombre de lames d'appui différent de trois, la répartition, la forme et la dimension de ces lames d'appui pouvant être différentes de celles qui ont été décrites.

[0104] Cependant, il est nécessaire que l'une des lames d'appui présente une surface de contact externe d'une dimension beaucoup plus faible que les autres lames d'appui. Il est nécessaire également que l'élément ne comporte pas de parties d'appui contre la paroi du trou de forage d'un côté d'un plan axial de basculement et comporte au contraire au moins une zone d'appui de l'autre côté du plan. On obtient ainsi un basculement de l'élément et de l'outil de forage pendant une partie de la rotation de l'élément, lorsque la zone d'appui de petites dimensions se trouve au voisinage de la partie inférieure du trou de forage.

[0105] Il est bien évident que la forme et les dimensions de l'élément sont définies par les conditions d'utilisation du train de tiges et que l'homme de métier pourra concevoir un tel élément en utilisant les connaissances habituelles relatives aux éléments de train de tiges de forage.

[0106] L'action des forces transversales de réaction de la paroi du trou sur l'élément produit un déplacement de l'axe de cet élment soit vers la droite soit vers la gauche, de sorte que pendant la rotation d'un tour complet de l'élément, l'axe de celui-ci se déplace préférentiellement à droite ou à gauche du plan de forage, entraînant un déplacement de l'outil et une correction de la trajectoire en azimut, soit vers la droite soit vers la gauche.

[0107] Il est bien évident également que l'élément suivant l'invention peut être constituée par un ou plusieurs matériaux tels que des aciers utilisés pour la fabrication des équipements de forage.

[0108] De plus, les parties en saillie et/ou d'appui telles que déjà décrites pourront présenter, comme représenté sur la figure 6, des zones 51, 52, 53, 54 ayant des masses volumiques ρ1, ρ2, ρ3, ρ4 qui pourront être différentes afin d'accentuer si nécessaire les effets dynamiques de basculement.

[0109] Dans le cas d'une garniture comportant des lames à diamètre variable, la commande de ces lames peut être effectuée par tout dispositif d'actionnement à distance utilisant la circulation du fluide de forage ou un autre moyen, tel que la pression d'un liquide ou d'un gaz.

[0110] L'invention s'applique de manière générale au réglage de l'azimut de la trajectoire d'un outil de forage, dans le cas de tout procédé de forage en mode rotary.

Revendications

1. Combinaison comportant un outil (3), un train de tiges (2) et un dispositif de réglage de l'azimut de la trajectoire de l'outil de forage en mode rotary (3) fixé à l'extrémité du train de tiges (2) en rotation autour de son axe disposé sensiblement suivant un plan vertical pendant le forage d'un trou (4), l'azimut de la trajectoire étant défini par la position angulaire du plan vertical ou plan de forage par rapport à une direction de référence, ledit dispositif comporte au moins un élément de train de tiges (10) solidaire du train de tiges (2) en rotation et fixé sur le train de tiges au voisinage de l'outil (3), comportant en section transversale des parties d'appui (21, 22, 23 ; 21',22',23' ; 41, 43, 45, 46) dont les surfaces externes d'appui sont disposées suivant une surface cylindrique ayant un axe confondu ou sensiblement confondu avec l'axe (14) du train de tiges et un diamètre maximal égal ou sensiblement égal au diamètre nominal du trou (4) à forer, réparties autour de l'axe (14) du train de tiges de manière à engendrer, pendant la rotation du train de tiges (2), par réaction de la paroi du trou (4) sur l'élément (10), des forces de basculement de l'outil de forage (3) en dehors du plan de forage soit à droite, soit à gauche du plan de forage, pendant une partie d'une rotation d'un tour complet du train de tiges (2) et à maintenir le train de tiges (2) sensiblement suivant l'axe du trou pendant la partie restante de la rotation, ledit élément (10, 10') du train de tiges comporte au moins trois parties d'appui en saillie radiales (21, 22, 23 ; 21',22',23') dirigées vers l'extérieur et disposées sensiblement à 90° les unes des autres autour de l'axe (14) de la garniture (10, 10'), l'une des parties d'appui (21, 21') comportant une surface externe d'appui d'une dimension sensiblement inférieure à la dimension des surfaces externes d'appui des deux autres parties d'appui en saillie (22, 23 ; 22',23') et la partie d'appui (21, 21') ayant une surface externe d'appui de petite dimension étant placée dans une position sensiblement opposée diamétralement par rapport à l'une des parties d'appui (23, 23') comportant une surface externe d'appui de grande dimension, de telle sorte que l'élément comporte au moins une partie d'appui (22, 22') d'un côté d'un plan axial de basculement passant par la partie d'appui (21, 21') ayant une surface externe d'appui de petite dimension et de l'autre côté du plan de basculement une partie (24) dont la surface externe est située à une distance de l'axe (14) inférieure d'une valeur (e) au rayon de la surface cylindrique définie par les parties d'appui (21, 22, 23 ; 21', 22', 23').

2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie dont la surface externe est en retrait, est de forme sensiblement cylindrique ayant pour axe l'axe (14) de l'élément dont le rayon est inférieur d'une longueur e au rayon nominal du trou de forage.

3. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'élément (10, 10') comporte un usinage en contre-dépouille incliné d'un angle α vers l'intérieur délimitant la partie d'appui ayant une surface externe d'appui de petite dimension.

4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la partie d'appui (21, 214) ayant une surface externe d'appui de petite dimension est décalée d'un angle γ, soit vers la droite soit vers la gauche, par rapport à un plan diamétral passant par le centre de la surface d'appui de la partie d'appui (23, 23') de grande dimension disposée sensiblement dans une position diamétralement opposée par rapport à la partie d'appui (21, 21') ayant une surface externe d'appui de petite dimension.

5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément de réglage (40) comporte un corps ayant deux parties (41, 43) en saillie radiale vers l'extérieur dont les sections par un plan transversal perpendiculaire à l'axe (48) de l'élément sont placées sensiblement dans des positions diamétralement opposées l'une par rapport à l'autre, l'une de ces parties d'appui en saillie ayant une surface externe d'appui de petite dimension par rapport à la surface externe d'appui de la seconde d'appui (43), et deux lames d'appui à diamètre variable (45, 46) placées dans des positions sensiblement diamétralement opposées dans la section transversale de l'élément et à sensiblement 90° par rapport aux parties d'appui (41, 43), les lames d'appui (45, 46) étant associées à un moyen d'actionnement permettant d'obtenir alternativement leur extraction ou leur rétraction de manière indépendante.

6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que le corps de l'élément de réglage (40) est usiné pour constituer des dépouilles inclinées d'un angle αG, αD de part et d'autre de la partie d'appui (41) ayant une surface externe d'appui de faibles dimensions.

7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que les lames d'appui (45, 46) sont mobiles dans une direction radiale entre leur position rétractée à l'intérieur du corps de l'élément (40) et leur position extraite, d'une distance eG, eD, de manière que la surface extérieure de chacune des lames (45, 46) dans leur position extraite se trouve suivant un cylindre ayant pour axe sensiblement l'axe (48) de la garniture et pour diamètre sensiblement le diamètre du trou de forage et dans une position en retrait de la distance radiale eG, eD, dans leur position rétractée.

8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les parties d'appui (21, 22, 23 ; 21',22',23' ; 41, 42, 43, 44) et les parties en saillie (24, 24') comportent des zones (51, 52, 53, 54) en des matériaux ayant des masses volumiques différents.

Ansprüche

1. Kombination, ein Werkzeug (3), einen Gestängestrang (2) und eine Regeleinrichtung für den Azimut der Bewegungsbahn des Bohrwerkzeugs bei Rotarybetrieb (3) umfassend, wobei dieses an das Ende des Bohrstrangs (2) in Drehung um seine Achse befestigt ist, die im wesentlichen längs einer Vertikalebene während des Bohrens eines Lochs (4) angeordnet ist, wobei der Azimut der Bewegungsbahn definiert ist durch die Winkelposition der Vertikalebene oder der Bohrebene bezogen auf eine Bezugsrichtung, wobei die Einrichtung wenigstens ein Gestängestrangelement (10), das bei Drehung drehfest mit dem Gestängestrang (2) ist, umfaßt und an dem Gestängestrang benachbart des Werkzeugs (3) befestigt ist, im Querschnitt Stützteile (21, 22, 23; 21', 22', 23'; 41, 43, 45, 46) umfassend, deren äußere Stützflächen gemäß einer Zylinderfläche angeordnet sind, die über eine Achse verfügt, die mit der Achse (14) des Gestängestrangs zusammenfällt oder im wesentlichen zusammenfällt und über einen Maximaldurchmesser gleich oder im wesentlichen gleich dem Nenndurchmesser des zu bohrenden Lochs (4) verfügt, wobei diese um die Achse (14) des Gestängestrangs derart verteilt sind, daß während der Drehung des Gestängestrangs (2) durch Reaktion der Wandung des Lochs (4) auf das Element (10) Kippkräfte des Bohrwerkzeugs (3) außerhalb der Bohrebene entweder rechts oder links der Bohrebene während eines Teils der Drehung um eine volle Drehung des Gestängestrangs (2) erzeugt werden und der Gestängestrang (2) im wesentlichen längs der Achse des Bohrlochs über den verbleibenden Teil der Drehung gehalten wird, wobei dieses Element (10, 10') des Gestängestrangs wenigstens drei radial vorstehende Stützteile (21, 22, 23; 21', 22', 23') umfaßt, die nach außen gerichtet und im wesentlichen unter 90° zueinander um die Achse (14) der Bohrgarnitur (10, 10') angeordnet sind, wobei eines der Stützteile (21, 21') eine äußere Stützfläche einer Abmessung aufweist, die im wesentlichen kleiner als die Abmessung der äußeren Stützflächen der beiden anderen vorstehenden Stützteile (22, 23; 22', 23') ist und der Stützteil (21, 21') eine äußere Stützfläche kleiner Abmessung hat, die in einer Position im wesentlichen diametral gegenüber zu einem der Stützteile (23, 23') angeordnet ist und über eine äußere Stützfläche großer Abmessung derart verfügt, daß das Element wenigstens einen Stützteil (22, 22') auf der einen Seite einer axialen Kippebene, die durch den Stützteil (21, 21') geht und eine äußere Stützfläche kleiner Abmessung hat und auf der anderen Seite der Kippebene einen Teil (24) umfaßt, dessen Außenfläche unter einem Abstand zur Achse (14) angeordnet ist, der geringer um einen Wert (e) des Radius der Zylinderfläche ist, die durch Stützteile (21, 22, 23; 21', 22', 23') definiert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Teil, dessen Außenfläche zurückspringt, von im wesentlichen zylindrischer Gestalt ist und als Achse die Achse (14) des Elements hat, dessen Radius um eine Länge (e) kleiner als der Nennradius des Bohrlochs ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (10, 10') eine Bearbeitung als Hinterschneidung, die um einen Winkel α gegen das Innere geneigt ist und den Stützteil begrenzt, der eine Stützaußenfläche geringer Abmessung hat, umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützteil (21, 214), der eine äußere Stützfläche geringer Abmessung hat, um einen Winkel γ nach rechts oder nach links bezogen auf eine Diametralebene versetzt ist, die durch die Mitte der Stützfläche des Stützteils (23, 23') großer Abmessung geht, welche im wesentlichen in einer Position angeordnet ist, die sich diametral gegenüberliegend bezogen auf den Stützteil (21, 21'), der eine äußere Stützfläche kleiner Abmessung hat, befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelement (40) ein Gehäuse mit zwei Teilen (41, 43) umfaßt, die radial nach außen vorstehen, deren Querschnitte längs einer Transversalebene senkrecht zur Achse (48) des Elements im wesentlichen in Positionen angeordnet sind, die diametral einander gegenüber sind, wobei einer dieser vorstehenden Stützteile eine äußere Stützfläche kleiner Abmessung bezogen auf die äußere Stützfläche der zweiten Stütze (43) und zwei Stützblattfedern variablen Durchmessers (45, 46), die in im wesentlichen diametral gegenüberliegenden Positionen im Querschnitt des Elements und unter im wesentlichen 90° bezogen auf die Stützteile (41, 43) hat, wobei die Stützblattfedern (45, 46) einem Betätigungsmittel zugeordnet ist, das es ermöglicht, alternativ ihr Herausziehen oder ihr Zurückziehen unabhängig zu erhalten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Regelelementes (40) so bearbeitet ist, daß es Schrägen bildet, die um einen Winkel αG, αD zu beiden Seiten des Stützteils (41) geneigt sind, welches eine Stützaußenfläche geringer Abmessungen hat.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützblattfedern (45, 46) in einer Radialrichtung zwischen ihrer zurückgezogenen Position im Inneren des Gehäuses des Elements (40) und ihrer ausgefahrenen Position um ein Stück eG, eD derart beweglich, daß die Außenfläche jeder der Blattfedern (45, 46) in ihrer ausgezogenen Lage sich längs eines Zylinders befindet, dessen Achse im wesentlichen die Achse (48) der Garnitur ist und deren Durchmesser im wesentlichen der Durchmesser des Bohrlochs ist, und in einer um die radiale Entfernung eG, eD, rückversetzten Position in ihrer zurückgezogenen Position, sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützteile (21, 22, 23; 21', 22', 23'; 41, 42, 43, 44) und ihre vorspringenden Teile (24, 24') Zonen (51, 52, 53, 54) aus Materialien umfassen, die über unterschiedliche volumenbezogene Massen verfügen.

Claims

1. Unit comprising a bit (3), a drill string (2) and a device for adjusting the azimuth of the trajectory of the drill bit in rotary mode (3) joined to the end of the drill string (2) in rotation about its axis, arranged essentially along a vertical plane when drilling a bore (4), the azimuth of the trajectory being defined by the angular position of the vertical plane or drilling plane relative to a reference direction, the said device having at least one drill string element (10) integral with the drill (2) in rotation and joined to the drill string close to the bit (3), having, in cross-section, bearing portions (21, 22, 23; 21', 22', 23'; 41, 43, 45, 46) whose external bearing surfaces are arranged along a cylindrical surface whose axis coincides or substantially coincides with the axis (14) of the drill string and of a maximum diameter equal to or substantially equal to the nominal diameter of the bore hole (4), distributed around the axis (14) of the drill string so as to generate, during rotation of the drill string (2), by virtue of the reaction of the bore (4) wall on the element (10), forces that will bias the drill bit (3) out of the drilling plane, either to the right or the left of the drilling plane, during a part of a full-turn rotation of the drill string (2) and maintain the drill string (2) essentially on the axis of the bore during the remaining part of the rotation, the said drill string element (10, 10') having at least three radially protruding, outwardly pointing bearing portions (21, 22, 23; 21', 22', 23') arranged substantially at 90° to one another around the axis (14) of the fitting (10, 10'), one of the bearing portions (21, 21') having an external bearing face of dimensions substantially smaller than the dimensions of the external bearing surfaces of the other two protruding bearing portions (22, 23; 22', 23') and the bearing portion (21, 21') with a small external bearing face being located in a position essentially diametrically opposite one of the bearing portions (23, 23') that has a large external bearing face so that the element has at least one bearing portion (22, 22') on one side of an axial biassing plane passing through the bearing portion (21, 21') having a small external bearing surface and, on the other side of the biassing plane, a portion (24) whose external face is located at a distance from the axis (14) shorter than the radius of the cylindrical surface defined by the bearing portions (21, 22, 23; 21', 22', 23') by a value (e).

2. Device as claimed in claim 1, characterised in that the said portion whose external surface is set back is substantially cylindrical in shape, its axis being the same as axis (14) of the element, whose radius is smaller by a length e than the nominal radius of the bore hole.

3. Device as claimed in any one of claims 1 and 2, characterised in that the element (10, 10') is machined with a counter-clearance inclined at an angle α towards the inside delineating the bearing portion with a small external bearing surface.

4. Device as claimed in any one of claims 1 to 3, characterised in that the bearing portion (21, 21') with a small external bearing face is offset by an angle γ, either to the right or to the left, relative to a diametral plane passing through the centre of the large bearing face of the bearing portion (23, 23') arranged essentially in a position diametrically opposite the bearing portion (21, 21') having a small external bearing surface.

5. Device as claimed in claim 1, characterised in that the adjusting element (40) comprises a body having two radially protruding, outwardly pointing portions (41, 43) whose sections in a transversal plane perpendicular to the axis (48) of the element are located substantially in diametrically opposite positions to one another, one of the protruding bearing portions having an external bearing surface of small dimension relative to the outer bearing surface of the second bearing (43), and two bearing blades of variable diameter (45, 46) essentially located in diametrically opposite positions in the cross-section of the element and essentially at 90° relative to the bearing portions (41, 43), the bearing blades (45, 46) being linked to an activating means allowing them to be independently and alternately extracted or retracted.

6. Device as claimed in claim 5, characterised in that the body of the adjusting element (40) is machined so as to form recesses inclined at an angle αG, αD on either side of the bearing portion (41) having a small external bearing face.

7. Device as claimed in any one of claims 5 and 6, characterised in that the bearing blades (45, 46) are movable by a distance eG, eD in a radial direction between their retracted position inside the body of the element (40) and their extracted position, so that the external surface of each of the blades (45, 46) in their extracted position is located along a cylinder whose axis is substantially the axis (48) of the fitting and of a diameter essentially the same as the diameter of the bore hole and, in their retracted position, in a position set back by the radial distance eG, eD.

8. Device as claimed in any one of claims 1 to 7, characterised in that the bearing portions (21, 22, 23; 21', 22', 23'; 41, 42, 43, 44) and the protruding portions (24, 24') have zones (51, 52, 53, 54) made from materials of different densities.

Dessins