Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
2a3~14Q~
L'invention concerne un dispositif de forage
rotary comportant des moyens de rêglage en azimut de la
trajectoire de l'outil de forage, ces moyens pouvant
être commandés à distance.
Dans les techniques actuelles du forage et en
particulier 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.
Ce réglage peut être relatif à l'inclinaison
de la trajectoire, c'est-à-dire à l'angle de cette
trajectoire avec la verticale, cet angle pouvant être
modifié par commande à distance, pendant le forage. Ce
réglage peut également être relatif à l'azimut de la
trajectoire, c'est-à-dire à la direction de cette tra-
jectoire par rapport à la direction du nord magnétique.
L'outil de forage peut être entraîné en rota-
tion par un train de tiges dont une extrémité située en
surface est reliée à un moyen d'entraînement en rota
tion. L'effort axial sur l'outil, dans le cas de ce
procédé connu sous le nom de forage rotary, est égale-
ment exercé par l'intermédiaire du train de tiges.
En dehors du forage rotary, on connaît d'au
tres procédés de forage mettant en oeuvre un moteur ou
une turbine de fond relié à L'extrémité d'un train de
tiges et comportant un arbre d'entraînement solidaire de
l'outil.
Dans le cas du forage rotary aussi bien que
dans le cas du forage avec moteur de fond, les tiges du
train de tiges sont réalisées sous forme tubulaire et
permettent la circulation d'un fluide de forage dans la
direction axiale du train de tïges, entre la surface et
l'outil de forage.
Dans le cas de l'utilisation d'un moteur de
2
fond, celui-ci peut être entraîné par le fluide de
forage sous pression envoyé dans le train de tiges.
Jusqu'ici, le réglage en azimut de la trajec
toire de l'outil de forage n'a pu être effectué que dans
le cas du forage avec moteur de fond. Dans le cas du
forage rotary, on ne connaissait pas de dispositif
commandé à distance permettant de régler en azimut la
direction du forage, dans le cas où une correction de
trajectoire s'avère nécessaire, en fonction des données
obtenues par télémesure.
Le but de l'invention est donc de proposer un
dispositif de forage rotary comportant des moyens com-
mandés à distance de réglage en azimut de la trajectoire
de l'outil de forage et un train de tiges ayant une
première extrémité reliée à des moyens de mise en rota-
tion du train de tiges autour de son axe et d'appli-
cation d'une force de direction axiale sur le train de
tiges et à des moyens d'alimentation en fluide de forage
du train de tiges assurant une circulation axiale du
fluide de forage jusqu'â l'outil de forage fixé à la
seconde extrémité du train de tiges, ce dispositif
pouvant fonctionner à l'avancement, suivant les besoins,
soit avec réglage en azimut de la trajectoire de forage,
soit sans contrôle en azimut de cette trajectoire.
Dans ce but, les moyens de réglage en azimut
de la trajectoire de l'outil de forage sont constitués
par .
un corps tubulaire comportant au moins une lame d'ap-
pui en saillie radiale vers l'extérieur montê rotatif
sur le train de tiges autour de son axe confondu avec
l'axe du train de tiges et solidaire en translation du
train de tiges,
- et un moyen de jonction entre le train de tiges et le
corps tubulaire porté par le train de tiges, mobile
entre une position active et une position inactive et
2U3~40~
3
manoeuvrable à distance grâce à des moyens de commande
actionnés par le fluide de forage en circulation dans le
train de tiges, permettant, dans sa position active,
l'entraînement en rotation du corps tubulaire par le
5 train de tiges et, dans sa position inactive, la rota-
tion du train de tiges à l'intérieur du corps tubulaire,
le réglage en azimut de la trajectoire de l'outil de
forage étant alors assuré par mise en appui de la lame
du corps tubulaire sur la paroi du trou de forage dans
10 une position déterminée et par désalignement angulaire,
l'une par rapport à l'autre, de deux parties du train de
tiges situées respectivement, entre la première extrémi
té du train de tiges et le corps tubulaire et, entre le
corps tubulaire et la seconde extrémité du train de
15 tiges.
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, un mode de
réalisation d'un dispositif de forage suivant l'inven
20 f ion .
La figure 1 est une vue schématique d'un
dispositif de forage rotary.
Les figures 2A et 2B sont des vues en coupe
axiale de moyens de réglage en azimut de la trajectoire
25 d'un outil de forage rotary selon un premier mode de
réalisation.
La figure 2A est une vue en coupe axiale de la
partie supérieure des moyens de réglage reliée â la
partie du train de tiges comportant la première extrémi-
30 té de ce train de tiges située en surface.
La figure 2B est une vue en coupe axiale de la
partie inférieure des moyens de réglage reliée à l'outil
de forage_
La figure 3 est une vue en coupe à plus grande
35 ëchelle du détail 3 de la figure 2A montrant un moyen de
.,,~~.
2~3'~~~
jonction entre le train de tiges et le corps tubulaire
des moyens de réglage d'azimut.
La figure 4 est une vue en bout suivant 4 de
la figure 2B.
La figure 5 est une vue en coupe transversale
suivant 5-5 de la figure 2A.
La figure 6 est une vue développée des rampes
d'actionnement du dispositif.
La figure 7 est une vue en coupe axiale de
moyens de réglage en azimut de la trajectoire d'un outil
de forage, selon un second mode de réalisation.
La figure 7A est une vue en coupe transversale
suivant A-A de la figure 7 montrant une première varian
te de réalisation du corps tubulaire des moyens de
I5 réglage.
La figure 7B est une vue analogue â la figure
7A montrant une seconde variante de réalisation du corps
tubulaire des moyens de réglage représentés sur la
figure 7.
La figure 8 est une vue schématique montrant
le principe du réglage en azimut de la trajectoire d'un
outil de forage.
La figure 9 est une représentation des varia
tions en fonction du temps de la pression et du débit du
fluide de forage dans le train de tiges, pendant une
opération de manoeuvre de moyens de réglage suivant
l'invention.
Sur la figure 1, on voit un dispositif de
forage rotary 1 dont le train de tiges 2 porte à son
extrémité l'outil de forage 3 en cours d'avancement pour
réaliser le trou de forage 4.
L'extrémité du train de tiges située à l'oppo-
sé de l'outil 3 est reliée à un dispositif d'entraîne-
ment en rotation 5 du train de tiges 2 autour de son
axe.
2Q~~4Q~
La tige 2a située à la partie supérieure du
train de tiges 2 présente une section carrëe et le moyen
d'entraînement en rotation 5 du train de tiges est
constitué par une table de rotation horizontale traver-
s sée 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 Ie train de tiges 2 en rotation tout en
permettant Ie déplacement axial du train de tiges paur
rêaliser le forage.
Un poids est appliqué sur l'extrémité supé-
rieure du train de tiges, afin d'exercer 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.
En outre, l'extrémité supérieure du train de
tiges constituant sa première extrémité, opposée à la
seconde extrémitê reliée à l'outil de forage 3, comporte
une tête d'injection de fluide de forage 6 reliée â 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, â l'inté-
rieur 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 4, en réalisant l'entraînement des débris de
roche arrachés par l'outil de forage 3.
Le fluide de forage chargé de débris est
récupéré en surface, séparé des débris et recyclé dans
un réservoir 7. Une pompe S permet de renvoyer le fluide
de forage dans la tête d'injection 6.
,~..
6
Le dispositif de forage 1 comporte, dans sa
partie inférieure, des moyens de réglage d'azimut
comprenant un corps tubulaire 10 ayant une lame d'appui
11 en saillie radiale par rapport au corps tubulaire
proprement dit.
Le train de tiges 2. est monté rotatif autour
de son axe à l'intérieur du corps tubulaire 10 dont
l'axe est confondu avec l'axe du train de tiges.
De plus le dispositif de forage rotary est
suspendu, à sa partie supérieure, par l'intermédiaire
d'un crochet 13 à un dispositif de levage permettant de
libérer le poids exerçant une poussée sur le train de
tiges 2 et sur l'outil 3, et de soulever le train de
tiges et l'outil.
Le dispositif de forage comporte un moyen de
liaison en rotation du train de tiges de forage 2 et du
corps tubulaire 10 ; ce dispositif peut étre manoeuvré
pour être placé en position active ou en position inac-
tive.
Lorsque le dispositif de liaison est dans sa
position active, le corps tubulaire 10 est entran en
rotation avec le train de tiges. Dans ce cas, le train
de tiges de forage 2, le corps tubulaire 10 et l'outil
3
sont mis en rotation dans Leur ensemble autour de l'axe
du train de tiges. Le dispositif de forage franctionne
alors sans
rglage
de l'azimut
de 1a
trajectoire
de
forage,
le forage
tant effectu
dans 1a
direction
de
l'axe du train de tiges.
Lorsque 1e dispositif de liaison du train de
tiges de forage 2 et du corps tubulaire 10 est en posi-
tion inactive,
le train
de tiges
2 peut
tre mis
en
rotation l'intrieur du corps tubulaire 10. L'applica-
tion d'un e force axiale FPo sur l'outil par l'interm-
diaire train d tiges produit une force de raction
du
latrale FRz s'exerant sur la paroi du trou de forage
7
4. La force FR2 est reprise par la lame d'appui 11 du
corps tubulaire 10 (force FRi). La lame d'appui 11, sous
l'effet de la force FRi est maintenue immobile en rota-
tion contre la paroi du trou de forage 4.
La direction de la trajectoire de forage en
azimut est alors déterminée par la position angulaire de
1a lame d'appui 11 dans le trou de forage, autour de
l'axe du train de tiges et par l'angle de dësalignement
du tronçon inférieur 15 du train de tiges solidaire de
l'outil 3 par rapport au tronçon supérieur 16 comportant
la première extrémité du train de tiges située en surfa-
r_e.
Le choix de la position de la lame 11 et lea
caractéristiques du corps tubulaire 10 et/ou du train de
tiges permettent de rêgler I'az:imut à la valeur voulue.
On va maintenant décrire, en se référant aux
figures 2A et 2B, un premier mode de réalisation des
moyens suivant l'invention permettant d'effectuer un
réglage en azimut de la direction de la trajectoire de
forage du dispositif représenté sur la figure 1.
Sur les figures 2A et 2B, on a représenté
l'ensemble 20 des moyens de réglage en azimut de la
direction de la trajectoire d'un dispositif de forage
suivant l'invention.
Le dispositif 20 est principalement constitué
par un premier élément 21 du train de tiges de forage,
par un second élément 22 du train de tiges relié de
manière articulée à l'extrémité du premier élément et
par un corps tubulaire 23 en deux parties 23a, 23b
définissant deux tronçons successifs dont les axes font
un angle a réglable, le premier élément 21 du train de
tiges étant monté rotatif dans le premier tronçon du
corps tubulaire et le second élément 22 du train de
tiges étant monté rotatif dans le second tronçon du
corps tubulaire 23_
2~~~4~9
8
Le premier élément 21 du train de tiges est
constitué de deux parties successives 21a et 21b reliées
entre elles par vissage de l'extrémité tronconique
filetée 24 de la première partie 21a dans un alésage
taraudé de forme correspondante de la seconde partie
21b.
La première partie 21a du premier élément 21
comporte un alésage taraudé tronconique 25 destiné à
assurer la liaison rigide du premier élément 21 du train
de tiges au tronçon supérieur comportant la première
extrémité du train de tiges aboutissant en surface et
coopérant avec le moyen d'entraînement en rotation du
train de tiges de forage.
L'élément 21 est réalisé sous forme tubulaire
et comporte dans sa partie 21b un alésage 26 â diamètre
élargi dans lequel est monté l'ensemble des moyens de
commande du dispositif de liaison entre le train de
tiges et le corps tubulaire 23. Cet ensemble comporte un
piston 27 monté mobile en translation et en rotation à
l'intérieur de l'alésage 26 et rappelé vers la premiëre
extrémité du train de tiges, par un ressort hëlicoïdal
28 monté à l'intérieur de la première partie 21a de
l'élément 21 du train de tiges.
Le piston 27 est réalisë sous forme tubulaire
et délimite un conduit central communiquant à ses deux
extrémités avec l'alésage du train de tiges qui est
parcouru, pendant le forage, par un dëbit Q de fluide de
forage circulant suivant la direction axiale et dans le
sens donné par la flèche 29.
L'extrémité du conduit central du piston 27
situêe du côté aval si l'on considêre la circulation du
fluide de forage est profilée de manière à constituer
une partie étranglée 27a située en vis-à-vis et â proxi-
mitë de la partie d'extrémité de forme tronconique d'une
aiguille 30 fixée dans la direction axiale à l'intérieur
~Q~~~~~
9
de l'alésage 26, grâce à un dispositif de support 31
comportant des ouvertures de passage du fluide de forage
à la périphérie de l'aiguille centrale 30.
En aval de l'aiguille 30 et du support 31,
l'alésage central de l'élément 21 du train de tiges
présente un diamètre réduit par rapport à l'alésage 26
et débouche, par des ouvertures 33, dans l'alésage
intérieur du corps tubulaire 23, autour de la partie
terminale de l'élément 21 à diamêtre réduit et compor
tant à son extrémité une ouverture en forme de portion
de sphère constituant la partie femelle d'une rotule
d'assemblage articulé du premier élément 21 et du second
élément 22 du train de tiges. Le second élément 22
comporte à son extrémité située dans le prolongement de
l'élément 21 une portée sphérique d'assemblage cons-
tituant la partie mâle de la rotule d'assemblage des
éléments 21 et 22. La rotule d'assemblage 32 permet
l'entraînement en rotation du second élément 22 par le
premier élément 21 tout en permettant un désalignement
angulaire du second ëlément 22 relié à l'outil de fora-
ge, par rapport au premier élément 21 relié au tronçon
du train de tiges aboutissant en surface.
Le piston 27 comporte un corps 27b dans lequel
sont usinés deux jeux de rampes 35a et 35b inclinées par
rapport à l'axe du premier élément 21 du train de tiges.
Char_un des jeux de rampes 35a et 35b comporte
plusieurs rampes disposées à 1a périphérie du piston
27, dans des positions angulaires régulièrement espacées
autour de l'axe du piston 27 confondu avec l'axe de
l'élément 21.
Les différentes parties des jeux de rampes 35a
et 35b sont reliées entre elles par des rainures à
profondeur constante usinées dans la surface périphéri-
que du piston 27, de manière que les différentes parties
des rampes et les rainures à profondeur constante cons-
21~3'~403
tituent une piste continue autour de la surface përiphé-
rique du corps 27b du piston 27, comme il est visible
sur les figures 5 et 6.
Sur chacune des pistes comportant le jeu de
5 rampes 35a ou le jeu de rampes 35b, est appliqué, par
l'intermédiaire de ressorts, un ou plusieurs ensembles
de verrouillage 36 permettant de réaliser la jonction
entre l'élément 21 du train de tiges et le corps tubu
laire 23 de manière à rendre le train de tiges et le
10 corps tubulaire solidaires en rotation ou, au contraire,
à permettre une rotation du train de tiges à l'intérieur
du corps tubulaire, par déverrouillage des ensembles 36.
Sur 1a figure 3, on voit que l'ensemble 36 est
logé dans une lumière 37 traversant la paroi de l'élé
ment tubulaire 21 dans une dire~~tion radiale.
Chacun des ensembles 36 comporte un doigt de
verrouillage 38 et un doigt d'actionnement 39, l'extré-
mité du doigt de verrouillage 38 dirigêe vers l'inté-
rieur étant engagée dans un alésage borgne ménagé dans
la direction axiale du doigt d'actionnement 39.
L'ouverture radiale 37 de l'élément 21 compor-
te une plaque de fermeture 40 disposée à son extrémité
débouchant vers l'extérieur, Ia plaque 40 comportant une
ouverture centrale 40a dans laquelle est engagée la tête
38a du doigt de verrouillage 38_
Entre Ia tête 38a du doigt de verrouillage 38
et 1e doigt d'actionnement 39 est intercalé un premier
ressort de rappel 42 qui tend à repousser le doigt de
verrouillage 38 vers l'extérieur.
Entre la plaque de fermeture 40 et le doigt
d'actionnement 39 est intercalé un second ressort de
rappel hélicoïdal 43 qui tend à repousser Ie doigt 39
vers l'intérieur, c'est-à-dire en direction de l'axe du
piston 27 et de l'élément 21.
2~~'~409
11
Un pion ou une clavette 44 est fixé dans
l'alésage du pion d'actionnement 39, en saillie radiale
vers l'intérieur, de manière à venir s'engager dans une
lumière axiale 38b ménagée dans la surface latérale du
doigt de verrouillage 38. Le pion 44 permet d'assurer le
rappel du doigt de verrouillage 38, sous l'effet du
ressort 43, par l'intermédiaire du doigt d'actionnement
39.
La tête 38a du doigt de verrouillage 38 vient
s'engager, en position active, comme représenté sur la
figure 3, dans une ouverture 41 de profondeur $ usinée
dans la surface intérieure de la partie 23a du corps
tubulaire 23. Dans sa position active, le pion de ver-
rouillage 38 assure la liaison en rotation autour de
leur axe commun de l'élément 21 du train de tiges et du
corps tubulaire 23.
Les ensembles de doigts 36 tels que représen-
tés sur la figure 3 sont actionnés par le piston 27 dont
les rampes 35a et 35b sont susceptibles de venir se
placer en face de l'extrémité coopérante du doigt d'ac-
tionnement 39, comme il est visible sur la figure 3.
Chacune des rampes 35a et 35b comporte une
partie d'extrémité dont la profondeur H1 dans la direc
tion radiale à partir de la surface externe du piston 27
est minimale et une partie d'extrémité dont la profon
deur H2 sous la surface externe du piston 27 dans 1a
direction radiale est maximale.
Les parties de jonet:ion successives ô0 du jeu
de rampes 35a ou 35b pont constituées par des rainures
dont le fond se trouve soit à la profondeur H1 soit â la
profondeur H2.
Lorsque du fluide de forage circule dans
l'alésage du piston 27, ce fluide de forage subit une
perte de charge au niveau de l'étranglement 27a situé en
vis-à-vis de l'aiguille tronconique 30. Lorsque le débit
12
du fluide de forage augmente, la perte de charge de part
et d'autre du piston 27 augmente jusqu'au moment oû la
force engendrée sur le piston par cette perte de charge
est susceptible de dêplacer le piston 27 dans la direc-
tion axiale, à l'encontre de la force de rappel du
ressort 28. Le débit correspondant du fluide de forage
est appelé débit d'actionnement.
I1 est â remarquer que lorsque le giston 27 se
déplace., sous l'effet de la force engendrée par la perte
de charge dans le sens d'écoulement du fluide de forage
(flèche 29), la perte de charge augmente de manière
continue par coopération de l'étranglement 27a et de
l'aiguille tronconique 30.
En fin de déplacement du piston 27, la partie
d'extrémité du doigt d'actionnement 39 étant parvenue â
une extrémité de la rampe, la perte de charge est maxi
male, si bien qu'une mesure de pression du fluide de
forage réalisée en surface permet de contrôler la posi
tion du piston 27 et 1a réalisation d'un pas de déplace
ment des moyens de commande.
~n diminue ou on annule le débit du fluide de
forage de manière que le ressort 28 puisse ramener le
piston dans sa position initiale, l'extrémité du doigt
d'actionnement 39 venant se placer dans une rainure à
profondeur constante pour revenir dans une position
d'équilibre soit â la profondeur Hi soit à la profondeur
Ha.
Dans leur position d'pquilibre, les extrémités
des doigts d'actionnement 39 coopérant avec les rampes
35a et 35b sont donc susceptibles de se trouver â une
profondeur H1 ou à une profondeur H2 sous la surface du
piston 27, le ressort 43 assurant le rappel des doigts
d'actionnement contre les rampes.
Lorsque le doigt 39 est â la profondeur H1, ce
doigt exerce sur le doigt de verrouillage 38, par l'in-
2Q3~4~~
13
termédiaire du ressort 42, une poussée vers l'extérieur
qui se traduit par un déplacement du doigt 38 d'une
longueur $, lorsque la tête 38a du doigt 38 vient en
coïncidence avec une ouverture 41 du corps tubulaire 23.
Lorsque le doigt 39 est à la profondeur H2, ce
doigt 39 assure le rappel du doigt de verrouillage 38
vers l'intérieur par l'intermédiaire du pion 44, sur une
hauteur h, si bien que l'élément 21 est déverrouillé et
que le train de tiges est susceptible de tourner â
l'intérieur du corps tubulaire 23.
La première partie 23a du corps tubulaire 23
est montée rotative sur le premier élément 21 du train
de tiges, par l'intermëdiaire de paliers radiaux 46a,
46b et 47 et d'un palier axial 48, de manière que la
première partie 23a du corps tubulaire 23 soit coaxiale
au premier élément 21 dont l'axe est lui-même confondu
avec l'axe de la partie du train de tiges comportant sa
première extrémité débouchant en surface.
De plus, des joints d'étanchéité 49 et 51
sont intercalés entre l'élément 21 et le corps tubulaire
23, de manière à éviter le passage du fluide de forage
entre ces deux pièces_
La seconde partie 23b du corps tubulaire 23
est montée sur la première partie 23a, par l'intermé
diaire d'une portée d'assemblage tronconique 53 ~~ont
l'axe fait un certain angle (de l'ordre de quelques
degrés) avec l'axe de l'élément 21.
La seconde partie 23b du corps tubulaire 23
engagée sur la première partie 23a par l'intermédiaire
de la gortée d'appui 53 peut être tournée autour de
T axe de cette portée d'appui et placée dans une orien-
tation telle que l'axe de l'alésage de la seconde partie
23b du corps tubulaire 23 fasse un certain angle a avec
l'axe de l'alésage de la première partie 23a du corps
tubulaire 23 confôndu avec l'axe de l'élément 21.
14
L'angle a est susceptible d'être réglé à une
valeur comprise entre 0 et 2 fois l'angle de désaligne-
ment de la portée tronconique 53 par rapport à l'axe de
l'alésage de Ia partie 23a du corps tubulaire.
Des vis de blocage 54 permettent de réaliser
la fixation et le blocage en rotation de la seconde
partie 23b du corps tubulaire 23 sur Ia premiëre partie
23a_
Ce réglage de l'angle a est réalisé en surfa-
ce, avant de commencer une opération de forage.
L'angle a est choisi en fonction de l'amplitu-
de souhaitable des réglages en azimut de la direction de
la trajectoire de forage.
Le corps tubulaire 23 constitue un élément
tubulaire coudé comportant deux tronçons successifs dont
les axes font un angle a.
La seconde partie 23b du corps tubulaire porte
trois lames 55 en saillie radiale et dans des positions
angulaires à 120° sur sa surface externe dont l'une
(55a) se trouve du côté externe du coude du corps tubu-
laire 23.
Le second élément 22 du train de tiges de
forage comporte une ouverture taraudée tronconique 22a
permettant le montage de l'outil de forage ou d'une
pièce d'adaptation de cet outil de forage à l'extrémité
de l'élément 22 opposée à son extrémité montée articulée
à l'extrémité de l'Élément 21.
L'élément 22 comporte un alësage interne
communiquant par des ouvertures 56 avec I'aiésage inté
rieur du corps tubulaire 23.
L'élément 22 est monté rotatif à l'intérieur
de l'alésage de la seconde partie 23b du corps tubulaire
23, par l'intermédiaire d'un palier radial 57 et d'un
palier axial 58. Un joint d'étanchéité 59 est intercalé
entre la surface intérieure de l'alésage du corps tubu-
~~~~! ~~~
Iaire et la surface extérieure du second ëlëment du
train de tiges. L'axe du second élément 22 du train de
tiges disposé de manière coaxiale dans le second tronçon
du corps tubulaire 23 fait donc un angle a avec l'axe du
5 premier élément 21 du train de tiges disposé de manière
coaxiale par rapport au premier tronçon 23a du corps
tubulaire coudé 23.
On va maintenant dêcrire le fonctionnement du
dispositif de forage suivant l'invention dans un premier
10 mode de fonctionnement sans réglage en azimut de la
trajectoire de forage et dans un second mode de fonc-
tionnement avec réglage en azimut de la trajectoire de
forage et le passage d'un mode de fonctionnement à
l'autre.
15 Le dispositif de forage suivant l'invention
présente la structure générale représentée sur la figure
1 et des moyens de commande du dispositif de réglage en
azimut tels que représentés sur les figures 2A et 2B.
Comme indiqué plus haut, le corps tubulaire 23
est réglé de manière que l'angle a de désalignement de
ses deux tronçons soit ajusté en fonction des réglages
en azimut souhaitables.
Dans un premier mode de fonctionnement, Ie
dispositif de forage peut fonctionner sans réglage en
azimut, le train de tiges et le corps tubulaire Étant
solidarisés en rotation par des dispositifs de jonction
tels que les dispositifs 36 représentés sur la figure
2A.
Le train de tiges, l'outil de forage et le
corps tubulaire 23 tournent ensemble autour de l'axe de
Ia partie supêrieure du train de tiges confondu avec
l'axe du premier élément du train de tiges engagé dans
le premier tronçon du corps tubulaire. Un effort axial
est transmis par le train de tiges, de manière à effec-
~o~~~o~
16
tuer le forage suivant la direction de l'axe de la
première partie du train de tiges.
La présence du corps tubulaire coudé 23 fonc
tionnant comme un raccord rigide ae traduit, pendant le
fonctionnement suivant le premier mode, par un simple
élargissement du trou de forage de faible amplitude,
l'angle a ayant une valeur faible.
Comme il eat visible sur la figure 8 où l'on a
représenté de manière très schématique le train de tiges
IO 2 engagé dans un corps tubulaire comportant une lame
d'appui 11, un repère Z permet de déterminer par téléme
sure la position angulaire du train de tiges et de la
Lame 11 du corps tubulaire, autour de l'axe du train de
tiges et par rapport à la direction du nord magnétique
(NM).
La position en azimut du repère Z (définie par
l'angle Az) peut être contrôlée depuis la surface, par
télémesure, de manière à déterminer les réglages ou
corrections à effectuer sur la direction en azimut de la
trajectoire de forage.
L'angle A entre la direction du repère Z et la
direction radiale Y de la lame 11 est fixé à une valeur
déterminée, dans le premier mode de fonctionnement,
l'engagement des doigts de verrouillage dans des ouver-
tures déterminées du corps tubulaire définissant un
indexage angulaire du corps tubulaire par rapport au
train de tiges.
Le réglage en azimut de la trajectoire de
forage (deuxième mode de fonctionnement du dispositif)
est obtenu, comme indiqué plus haut, par réglage de la
position angulaire de la lame d'appui 11 dans le trou de
forage et par déverrouillage du train de tiges de fora-
ge, de manière à permettre sa mise en rotation à l'inté-
rieur du corps tubulaire, après mise en appui de la lame
11 contre la paroi du trou de forage, dans une position
~0~'~40~
17
déterminée, sous l'effet des forces latérales mises en
jeu et résultant de la force axiale sur le train de
tiges.
Le passage du premier mode de fonctionnement
sans réglage d'azimut au deuxième mode de fonctionnement
avec réglage d'azimut est donc réalisé par libération
des moyens de verrouillage du corps tubulaire sur le
train de tiges et par orientation du corps tubulaire de
manière. que la lame d'appui soit dans. la position vou-
lue, comme il sera décrit ci-dessous.
Le dispositif de forage étant en fonctionne-
ment suivant le premier mode sans réglage d'azimut, pour
passer au second mode de fonctionnement avec réglage
d'azimut, on relâche, dans un premier temps, l'effort
axial sur l'outil exercé par l'intermédiaire du train de
tiges, sans décoller l'outil du fond du trou de forage
et on arrête la rotation du train de tiges assurant le
forage_
On règle la position angulaire de la lame 11
(ou 55a) par rapport au nord magnétique, de manière à
effectuer le réglage d'azimut dans la direction voulue,
en tournant le train de tiges depuis la surface d'un
angle déterminé. Cette rotation du train de tiges en-
traîne la même rotation du corps tubulaire solidaire du
premier élément du train de tiges et la mise en position
angulaire de la lame d'appui.
0n applique à nouveau l'effort axial sur le
train de tiges de maniêre à engendrer une force de
réaction FRi (voir figure 1) au niveau de la lame d'ap-
pui, ce qui fixe la position angulaire de la lame d'ap-
pui et du corps tubulaire 10.
Dans le cas d'un dïspositif de commande tel
que représenté sur les figures 2A et 2B utilisant le
débit du fluide de forage, on augmente le débit de
2fl3â~0~
1a
manière à le faire passer à la valeur d'activation des
moyens de commande.
Sur la figure 9, on a représenté, dans la
partie inférieure de la figure, les variations du débit
5 au cours du temps. Le débit Q passe de la valeur pendant
Ie forage QF à la valeur d'activation des moyens de
commande QACT avec un palier à une valeur intermédiaire.
Lorsque le débit atteint la valeur QACT, le
piston 27 se déplace dans Ia direction de circulation du
fluide de manière que la perte de charge augmente à la.
sortie du piston 27, par coopération de l'étranglement
27a et de l'aiguille 30 de forme tronconique.
Comme iI est visible sur la figure 9, pendant
la phase de déplacement du piston, le débit est maintenu
15 à la valeur QACT {partie inférieure de la figure 9) main
la perte de charge &P augmente depuis la valeur 0 jus-
qu'à la valeur maximale SPACT qui est atteinte lorsque
le piston a terminê son déplacement dans le sens de
circulation du fluide (partie supérieure de la figure
20 9). La courbe de variation de 1a pression du fluide de
forage en fonction du temps présente un maximum au
moment oû la partie de contact des doigts d'actionnement
parvient à l'extrëmité de la :rampe ayant le niveau le
plus bas (niveau H2 figure 3).
25 L'enregistrement de la pression permet de
suivre les déplacement du piston et la position des
doigts d'actionnement depuis la surface.
Lorsque les doigts d'actionnement sont en
contact avec la rampe à une profondeur H2, les têtes 38a
30 des doigts de verrouillage sont rappelées dans la posi
tion $ - 0 par les pions 44 des doigts d'actionnement.
Le train de tiges est âlors libre en rotation par rap-
port au corps tubulaire.
On interrompt la circulation du fluide de
35 forage dans le train de tiges, de sorte que le piston 27
- 2~3~ 44~
19
est rappelé par le ressort 2g, dans le sens inverse de
la circulation du fluide de forage. Les extrémités des
doigts d'actionnement se déplacent en contact avec une
rainure 60 à profondeur constante H2 joignant deux
rampes successives. Les doigts d'actionnement passent de
la rampe à la rainure à profondeur constante par une
rotation du piston 27 autour de son axe, lorsque les
doigts d'actionnement viennent en contact à l'extrémité
des rampes avec des parties de jonction courbes entre
les rampes 35 et les rainures 60 à profondeur constante.
Le piston est alors dans sa position d'équi
libre et les doigts 38 sont déverrouillés.
On rétablit 1e débit du fluide de forage à la
valeur QF, ce qui n'entraîne aucun déplacement du piston
27, le débit QF étant inférieur au débit d'actionnement
QACT.
La pression du fluide de forage aprês être
passée de sa valeur maximale à la valeur nulle remonte â
une valeur intermédiaire correspondant à la valeur
sensiblement constante de la pression pendant le forage.
On remet le train de tiges en rotation afin de
redémarrer le forage.
Le train de tiges est libre en rotation dans
le corps tubulaire 23, si bien que le premier élément 21
du train de tiges entraîne le second élément 22 en
rotation, ce second élément solidaire de l'outil de
forage ayant un axe faisant un angle a avec le premier
élément disposé dans le premier tronçon du corps tubu-
laire 23.
On effectue ainsi une correction d'azimut de
la direction de la trajectoire de forage, cette correc
tion d'azimut ëtant rëalisée dans la direction voulue
grâce à la position angulaire de la lame 55 en appui sur
le bord du trou et ayant une amplitude déterminée par Ia
valeur de l'angle a_
~' 2~3~409
Le train de tiges disposé â l'intérieur du
corps tubulaire coudé présente un désalignement identi-
que au désalignement des deux tronçons du corps tubulai-
re ; pendant le forage, l'avancement de l'outil de
5 forage entraîne un avancement du~train de tiges et du
corps tubulaire solidaire en translation de ce train de
tiges, la lame d'appui 55a étant entraînée en contact
frottant avec la paroi du trou de forage.
Pour passer du second mode de fonctionnement
10 au premier, c'est-à-dire pour passer d'un mode de fonc
tionnement avec réglage d'azimut de la trajectoire de
forage à un mode de fonctionnement sans réglage d'azi
mut, on libère l'effort axial exercë par l'intermédiaire
du train de tiges sur l'outil de forage et on décolle
I5 l'outil du fond du trou.
On augmente le débit du fluide de forage
jusqu'â la valeur d'activation QACT, de manière à faire
passer l'extrémité des doigts d'actionnement en contact
avec les rampes à profondeur variable, du niveau H2 au
20 niveau Hl où les doigts de verrouillage 38 sont repous-
sés vers l'extérieur par les ressorts de rappel 42 et
43.
On annule Ie débit du fluide de forage, de
manière à replacer le piston dans sa position d'équili
bre.
On fait tourner le train de tiges à l'inté-
rieur du corps tubulaire pour réaliser l'enclenchement
des doigts de verrouillage 38, les têtes 38a des doigts
38 repoussées par les ressorts 43 venant s'engager dans
les ouvertures 41 correspondantes lorsque les têtes et
les ouvertures sont venues en coïncidence.
On peut alors reprendre le forage, la solida-
risation en rotation des élêments 21 et 22 de la tige de
forage et du corps tubulaire 23 annulant l'effet du
~
.
21
désalignement a introduit par le corps tubulaire coudé
23.
Sur les figures 7, 7A et 7B, on a représenté
un second mode de réalisation des moyens de réglage en
azimut de la trajectoire d'un outil de forage fonction-
nant suivant le principe général exposé plus haut en
regard de la figure 1 et en utilisant des moyens de
commande â distance analogues aux moyen8 décrits en
regard des figures 2A et 2B. De même, la mise en oeuvre
de ces moyens pour passer d'un mode de fonctionnement
sans réglage d'azimut à un mode de fonctionnement avec
réglage d'azimut ou inversement est sensiblement analo-
gue au processus qui vient d'être décrit relatif au mode
de réalisation des figures 2A et 2B.
Les éléments analogues sur les figures ZA et
2B d'une part et 7 d'autre part portent les mêmes repè-
res avec cependant l'exposant - (prime) pour les élé-
ments représentés sur la figure 7. Ces éléments consti-
tuent le dispositif de jonction entre le train de tiges
et le corps tubulaire et ses moyens de commande gui sont
réalisés de manière analogue dans le cas du premier mode
et dans le cas du second mode de réalisation.
Dans le cas du second mode de réalisation
représenté sur la figure 7, le corps tubulaire 70 monté
rotatif sur le train de tiges et solidaire en transla
tion de ce train de tiges est réalisé sous la forme d'un
stabilisateur à lame d'appui du type utilisê pour effec-
tuer des corrections de trajectoires sur des trains de
tiges, par déformation du train de tiges sous l'effet
des forces latêrales exercées par le stabilisateur sur
le bord du trou de forage.
Cependant, à la différence des stabilisateurs
connus et utilisés pour effectuer des corrections de
trajectoire, le corps tubulaire 70 est monté rotatif
sur le train de tiges et le train de tiges peut être
r~
~oiidaire en rotation du corps tubulaire 70 ou, au
contraire, rendu libre en rotation dans le corps tubu
laire 70, grâce à des moyens de commande à distance
utilisant le fluide de forage du type de ceux qui ont
été décrits plus haut.
Le corps tubulaire 70 est monté rotatif sur
une piëce intermédiaire 72 du train de tiges reliée à
l'une de ses extrémités à un premier raccord vissé 73
permettant de fixer la pièce 72 â la partie du train de
tiges comportant sa premiêre extrémité débouchant en
surface et, à son autre extrémité, à un second raccord
vissé 74 permettant de relier la pièce intermédiaire 72
à la partie du train de tiges portant l'outil de forage.
Le corps tubulaire 70 est monté rotatif sur la
pièce intermédiaire 72 grâce à des roulements à rouleaux
76a et 76b et maintenu solidaire en translation du train
de tiges entre un épaulement de la pièce 72 et un épau
lement du second raccord 74.
Des butées à billes et des joints d'Étanchéité
77a et 77b sont intercalés entre le corps 70 et les
épaulements du train de tiges.
Comme il est visible sur la figure 7A, le
corps tubulaire 70 comporte une lame d'appui 71 et deux
lames de guidage 78a et 78b en saillie radi~ile vers
l'extérieur. Les bords externes des lames de guidage 78a
et 78b se trouvent sur un contour circulaire 79 r_~entré
sur l'axe du train de tiges dont le diamêtre correspond
au diamètre D du trou de forage. Le bord externe de la
lame d'appui 71 est saillant par rapport au contour 79
d'une longueur radiale
âur la figure 7B, on a représentë une variante
de réalisation 70' du corps tubulaire 70 qui comporte
deux lames de guidage 78'a et '78'b et une lame d'appui
71' dont les bords externes se trouvent sur un cercle
79' dont le rayon a une longueur D/2 - h légèrement
2t~3'~~~9
23
inférieure au rayon du trou de forage. Le cercle 79' est
centré en un point situé à une distance $ de l'axe du
train de tiges et de la pièce intermédiaire 72. Dans sa
position représentée sur la figure 7B, la lame d'appui
71' est dans sa position d'excentration maximale.
Le moyen de réglage en azimut représenté sur
les figures 7, 7A et 7B peut être commandé d'une manière
analogue au moyen de réglage représenté sur les figures
2A, 2B et 3 à 6, grâce à des dispositifs de jonction
manoeuvrables 36' comportant des doigts de verrouillage
38' actionnés par les rampes 35'a et 35'b d'un piston
27' et par des ressorts de rappel.
Ces moyens de commande ont été décrits dans le
cas du premier mode de réalisation.
Le piston 27' est déplacé dans un sens par la
force crëée par la perte de charge au niveau de l'ouver-
ture 27'a coopérant avec l'aiguille tronconique 30' et
dans l'autre sens par le ressort de rappel 28'.
On peut ainsi, comme précédemment décrit,
commander à distance le verrouillage ou le déverrouil
lage en rotation du train de tiges et de la pièce tubu
laire 70, au niveau de Ia pièce intermédiaire 72. Lors
que Ies pièces 70 et 72 sont solidarisées en rotation,
l'ensemble constitué par le train de tiges, la piëce
tubulaire 70 et l'outil de forage tourne autour de l'axe
du train de tiges. Le forage est réalisé sans réglage
d'azimut, la présence de la lame d'appui excentrée se
traduisant par un léger élargissement du trou de forage.
Pour effectuer un réglage d'azimut, on réalise
la mise en appui de la lame 71 (ou 71') sur le bord du
trou de forage dans une position angulaire déterminêe,
comme décrit précédemment.
On déverrouille ensuite Ies doigts 38' par
commande à distance, de manière à permettre la rotation
- 2u~~~~~
24
du train de tiges à l'intérieur de la pièce tubulaire 70
ou 70'.
Le réglage en azimut est réalisé par dêsali-
gnement angulaire de la partie inférieure du train de
tiges portant l'outil telle que la partie 15 représentée
sur la figure 1, par rapport à la partie supérieure 16
comprenant la première extrémité du train de tiges, sous
l'effet des forces radiales mises en jeu pendant le
forage et s'exerçant sur la partie 15 du train de tiges.
Le réglage en azimut dépend donc de la position angulai-
re de la lame d'appui et de son excentration et des
caractéristiques géométriques et mécaniques de la partie
du train de tiges.
LE dispositif suivant l'invention permet donc
15 d'effectuer un réglage en azimut commandé à distance de
la trajectoire d'un outil de forage, dans le cas du
forage rotary.
Dans le cas oû le dispositif de forage fonc
tionne avec réglage en azimut de la trajectoire de
l'outil de forage, on peut revenir par commande à dis
tance à un mode de fonctionnement sans réglage en azimut
de la trajectoire.
Le passage d'un mode de fonctionnement â
l'autre est effectué de manière rapide et sûre, le
contrôle des moyens de commande pouvant être effectué
depuis la surface, par exemple par mesure de pression du
fluide de forage.
L'invention permet donc de régler en azimut la
trajectoire d'un outil de forage, sans utiliser de
moteur de fond.
L'invention ne se limite pas au mode de réali-
sation qui a été décrit.
C'est ainsi que les moyens de commande pour
réaliser le verrouillage ou le déverrouillage du corps
tubulaire sur le train de tiges peuvent être réalisés
203~40~
sous une forme différente de celle qui a été décrite.
Ces moyens de commande utilisant la pression ou le débit
du fluide de forage sont bien connus dans la technique
du forage directionnel à grande profondeur.
5 Les moyens de jonction entre la tige de forage
et le corps tubulaire peuvent être réalisés sous une
forme différente de celle qui a été décrite utilisant
des doigts placés dans des directions radiales.
Le corps tubulaire peut être réalisé sous une
10 forme différente de celles qui ont été décrites, ce
corps tubulaire pouvant être réalisé en une seule ou
plusieurs pièces, avec ou sans possibilitê de réglage de
l'angle de désalignement ou de l'excentration de la lame
d'appui.
15 Enfin, l'invention s'applique de manière
générale à tout dispositif de forage rotary.
