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WO 91/09202 PCT/BE90/00069
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OUTIL DE FORAGE DESTINE A ELARGIR UN PUITS
La présente invention est relative à un outil de
forage destiné à élargir un puits de forage, compre-
nant un corps cylindriaue creux bordé à ses extrémi-
tés d'une première et d'une seconde bride fixe, cha-
s tune de ces brides étant pourvue de joints filetés en
vue de son assemblage à un train âe tiges.
Un tel outil trouve son application dans
l'élargissement différé dans le temps, de puits de
forage existants ou au contraire, dans la réalisation
immédiate de puits larges que l'on obtient en forant
à l'aide d'un outil de forage classique à trépan ou à
tricône une ébauche de puits plus étroit qu'on
élargit d'emblée en un puits de plus grand diamètre à .
l'aide d'un outil destiné à élargir un puits selon
l'invention, que l'on combine à l'outil de forage
classique susdit.
Un outil de forage destiné à élargir un puits peut
également être utilisé en lieu et place d'un outil de
forage excentrigue ou d'un outil de forage rétracta-
ble. . .
L'élargisseur de fond de puits est prévu pour être
introduit et descendu dans un puits foré à un
diamètre initial jusqu'à une profondeur voulue, à
partir de laguelle les bras escamotables sont
déployés pour élargir le puits.
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Dans le domaine du forage, il y a souvent un intérêt
technique et financier à avoir un puits de forage de
diamètre important en zone productrice mais de diamètre
restreint en surface, afin de pouvoir boucher l'orifice du
puits plus facilement en cas d'irruption intempestive de
pression.
On connaît par le brevet américain US-A-4589504 émis
le 20 mai 1986 à Simpson, un outil pour élargir le fond
d'un puits de forage. L'outil comprend un corps
cylindrique entraîné en rotation par un train de tiges,
une commande d'un mécanisme d'ouverture de l'outil et deux
bras éclipsables. Le corps présente une cavité diamétrale
le traversant de part en part. Dans cette cavité, les deux
bras éclipsables, articulés dans un même plan longitudinal
passant par l'axe de rotation du corps de l'outil,
pivotent autour de pivots perpendiculaires à ce plan.
Au repos, les bras sont repliés à l'intérieur du
corps d'outil. En position de service, les bras sont
relevés latéralement à 45° de manière à présenter à
l'extrémité inférieure du bras une arête de coupe de forme
déterminée, profilée de manière à obtenir un profil de
trou (de préférence un profil courbe) pour lequel les
forces verticales de réaction, exercées par le sol sur les
bras, développent autour de l'axe de rotation du bras un
moment de forces qui tend à maintenir le bras sorti et qui
compense le moment de forces tendant à refermer le bras
sous l'action des efforts latéraux horizontaux.
Dans ce dispositif, la lubrification de l'outil est
assurée par un fluide de forage amené â partir de la
surface du sol jusqu'à l'outil, à l'aide d'un conduit
creusé â l'intérieur des tiges de forage. Le liquide de
forage est amené au voisinage de l'outil
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sous forme de jets produits par des gicleurs cali-
brés, dirigés sur les arêtes de coupe.
L'ouverture des bras est commandée hydrauliquement
à l'aide du liquide de forage, par augmentation du
débit des pompes de fluide de forage. Dès que la
pression hydraulique du fluide de forage est
supérieure à une valeur prédéterminée, par exemple 70
bars ou 7.106 Pa, l'effort exercé sur le piston est
suffisant pour déplacer le piston à l'encontre d'un
ressort vers une position inférieure stable. Le res-
sort s'oppose au déplacement du piston sous l'effet
àe la pression hydraulique et détermine une position
d'équilibre. Le piston entraine une crémaillère qui
engrène une portion de pignon assurant le relèvement
des bras. La fermeture des bras se fait automatique-
ment dès aue la pression hydraulique diminue par le
fait que le ressort précomprimé assure la remontée du
piston.
L'inconvénient de cet outil connu réside dans le
fait qu'un effort important doit être transmis au
bras pour lui permettre de s'écarter àu corps de
l'outil. Cet effort est transmis au bras par
l'intermédiaire d'une seule dent à un endroit
entaillé gui affaiblit le bras. La mise en oeuvre de
l'outil est tributaire de la destructabilité de la
roche et de la tendance de l'outil à dévier de son
axe. Un second inconvénient est la~forme irrégulière
du puits élargi et l'imprécision du diamètre obtenu.
En outre, l'outil souffre d'un manque de stabilité
latérale et d'un manque de rigidité des bras.
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La présente invention vise â remédier â ces
inconvénients. Elle propose un outil de forage destiné à
élargir un puits de forage comprenant un corps cylindrique
creux bordé à ses extrémités d'une première et d'une
second bride fixe, une commande d'un mécanisme d'ouverture
de l'outil et un bras, chaque bride étant pourvue de
joints filetés en vue de son assemblage à un train de
tiges, caractérisé en ce que ledit bras est courbe et
prend appui à une première extrémité sur la premiëre bride
fixe de manière à pouvoir tourner sur lui-même d'une
fraction de tour autour d'un axe, sous la commande du
mécanisme d'ouverture de l'outil, tandis que l'autre
extrémité du bras coulisse le long d'un organe de guidage
ménagé dans la seconde bride.
Ainsi, la présente invention propose un outil
mécaniquement
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robuste à bras interchangeables extensibles'résistant
à l'usure et permettant un réglage en largeur précis
àe l'outil. Elle est relative à un outil tel aue
décrit dans le premier paragraphe du présent mémoire.
Cet outil est caractérisé en ce qu'il porte au moins
un bras courbe prenant appui à une première extrémité
sur une bride fixe de manière à pouvoir tourner sur
lui-même d'une fraction de tour autour d'un axe
AA'd'un tëton parallèle, incliné ou gauche par rap-
port à l'axe de rotation de l'outil, sous la commande
d'un mécanisme d'ouverture de l'outil, tandis gue
l'autre extrémité du bras coulisse le long d'un
organe de guidage ménagé dans la seconde bride.
Selon une particularité de l'invention, l'organe
de guidage de la seconde bride est centré autour de
l'axe AA' susdit:
Suivant un développement particulier de l'inven
tion, l'axe du tëton est parallèle'à l'axe de rota
tion de l'outil et l'organe de, guidage de la seconde
bride est ménagé en arc de cercle centré autour de
l'axe A, A'.
' L'organe de guidage peut étre une rainure ménagée
dans la bride.
La rainure ménagée en arc de cercle par rapport à
l'axe AA'présente un angle inscrit compris entre 2 et
90°, de préférence entre 20 et 60°.
Chaque bras courbe articulé prend appui à une
première extrémité inférieure autour d'un premier
téton solidaire de la première bride.
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Selon une autre particularité de l'invention, deux
à six bras sont répartis côte à côte à distance
angulaire égale autour du noyau. Chaque bras de coupe
a la forme d'une hélice à pas variable qui s'étale
5 sur un arc d'environ 200° autour du noyau.
Dans une deuxième forme de réalisation, la rainure
de la seconde bride est ménagée radialement par
rapport à l'axe de rotation àe l'outil.
Un mécanisme à'ouverture particulier~est constitué
à'un engrenage hélicoïdal dont le filet hélicoïdal
présente un angle d'inclinaison compris entre 3 et
30° et qui engrène un pignon satellite à axe de
rotation parallèle à celui àe l'outil.
Le pignon satellite entraine en rotation
avantageusement une bague à denture extérieure qui
engrène chaque bras et à denture intérieure sur la-
quelle engrène le pignon satellite de l'outil.
Dans une forme de réalisation donnée à titre
d'exemple, chaque bras de coupe se compose de trois
narties .
- une zone inférieure de coupe apte à creuser un
profil de fond de trou;
- une partie médiane dont tous les points sont
équidistants de l'axe du puits de forage destiné à
stabiliser l'outil dans le trou, la forme
préconisée étant celle des stabilisateurs. Elle
consiste en des portions de droite ou d'hélice à
pas constant dont l'angle d'inclinaison atteint
environ 35 ° , et en une partie vertiral.e garnie y
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généralement d'un revëtement anti-usure;
- une partie supérieure àe àiamètre croissant àu
haut en bas.
Ces particularités et détails de l'invention ainsi
que d'autres ressortiront de la description d'une
forme de réalisation particulière faisant rëférence
aux dessins ci-joints, dans lesquels .
- la figure 1 est une vue schématique en élévation
latérale d'un élargisseur de fond de puits à bras
hélicoïdaux selon l'invention, en position re-
pliée;
- la figure 2 est une vue en élévation latérale de
l'élargisseur de fond de puits illustré à la fi-
gure 1, en position déployée;
- la figure 3 est une vue en coupe le long de la
ligne II' de la figure 1;
- la figure 4 est une vue en coupe transversale
selon la ligne LL' de l'élargisseur de fond de
puits illustré à la figure 1;
- la figure 5 est une vue en coupe longitudinale
selon la ligne IV-IV' de la figure 4 d'une partie
du corps de l'élargisseur en position déployée;
- la figure 6 est une vue en coupe transversale
semblable à celle de la figure 4 d'une bride
interchangeable pour puits de plus grand diamètre,
destinée à être montée sur le méme.élargisseur de
fond de puits que celui illustr_z à la figure 2, et
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- la figure 7 est une coupe transversale du
mécanisme d'ouverture actionnant les bras
hélicoïdaux le lova àes rainures de la briàe , .
supérieure; et
- la figure 8 est une vue en perspective d'un
montage en duplex de l'élargisseur de fonds de
puits.
Dans ces figures, les mêmes signes de référence
désignent des éléments identiaues ou analogues.
Comme illustré à la figure 1, un outil de forage
selon l'invention, désigné dans son ensemble par le
signe de référence 1, comprend un corps cylindrique
creux 2 délimité par une surface cylindrique bordée à
ses extrémités par des brides métalliques 4 et 5. Les
brides servent de monture à une série de bras courbes
3 longeant la surface cylindrique. Les brides métal-
liques 4, 5 sont solidaires du corps cylindrique 2
et sont pourvues de joints filetés 28 pour permettre
1°assemblage de l'outil 1 avec un train de tiges (non
montré.) .
La série de bras courbes peut comprendre jusqu'à
huit bras, les bras sont répartis côte à côte à
distance angulaire égale. Chaque bras courbe a par
exemple 1a forme d'une hélice à pas variable qui
s'étale sur un arc d'environ 200°. autour du corps
cylindrique. Les bras sont identiques 'mais sont gar-
nis d'éléments coupants 6 répartis différemment et
ils présentent un même diamètre d'hélice: ChaQUe
bras hélicoîdal 3 a une section carrée ou rectangu-
laire et est monté pivotant par rapport à un têton
fixe 7 solidarisé à la bride fixe 4.
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Le premier téton fixe 7 est assujetti .dans un
trou de fixation 32 de la bride fixe 4. La seconde
extrémité du bras hélicoïdal est éloignée d'une dis-
tance correspondant au diamètre d'hélice. Les bras 3
sont ajustables et peuvent s'écarter de la surface
cylindrique par pivotement autour d'un axe parallèle
à l'axe de rotation de l'outil de forage 1. La
position angulaire de chaque bras hélicoïdal 3 est
commandée par déplacement angulaire d'une baQUe rota-
tive 9 montée contre la seconde bride fixe supérieure
5 solidaire du bâti et entraînée par un mécanisme
d'ouverture 10 de l'outil 1.
Le mécanisme d'ouverture comprend par exemple une
came ou une bague rotative 9 présentant une denture
intérieure 12 et sur des portions de contour
extérieur, une denture extérieure 13 centrée sur
l'axe de rotation LL' de l'outil (voir figures 3 et
4)~
La denture intérieure 12 engrène un pignon satel
lite 14 à filet hélicoïdal dont l'axe .de rotation est
parallèle à celui de l'outil. Le filet hélicoïdal du
pignon satellite 14 présente un angle d'inclinaison
compris entre 3 et 30°.
Chaque denture extérieure de la bague 9 engrène
l'extrémité supérieure de chaque bras 3 et oblige
celui-ci à tourner sur lui-même d'une portion de tour
autour de l'axe AA', parallèle à l'axe de rotation
LL' (figure 1).
Le déplacement angulaire de la seconde extrémité
du bras solidarisé avec la seconde brida 5 par un
second téton 8 pouvant coulisser le long d'une rai-
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pure 21 ménagée en arc de cercle dans la. seconàe
bride 5, modifie l'orientation de la courbure de
l'hélice du bras, de manière au'une portion de courbe
déborde àu corps cylindrique 2 de l'outil et forme
une arète àe coupe 15 de longueur croissante par ,
laquelle le bras hélicoïdal 3 attaque et élargit
progressivement la paroi du trou initial (figure 5).
Le déplacement angulaire àe la bague 9 est obtenu
à l'aiàe àu pignon satellite 14 monté sur un axe
parallèle à celui de l'outil. Le pignon satellite 14
est entraïné en rotation par un piston non rotatif 16
déplaçant une tige 36 pourvue d'un engrenage héli-
coïàal 17. Le piston 16 se àéplace parallèlement à
lui-mème sous l'action d'une augmentation àe pression
hydraulique et force le filet hélicoïdal 17 de la
tige 36 du piston 16, qui présente un angle d'incli- ,
naison compris entre 3° et 30°, à descendre sans w
tourner. Le pignon 14 engrène la denture intérieure
d'une bague centrée sur l'axe de rotation de l'outil
et provoque la rotation de la bague qui entraîne le
téton 8 du bras 3. manté dans un trou ménagé dans la
bague, à coulisser le long àe la rainure courbe 21
(voir figures 4 et 6.) '
La longueur de l'arête de coupe 15 donne une
mesure des performances de l'outil et détermine entre
autres la vitesse de coupe et la longévité de
l'outil.
Par rapport aux systèmes connus, qui mettent en
oeuvre des bras latéraux de largeur restreinte, l'ou-
til de forage selon l'invention possède une arête de
coupe au moins trois à cinq fois plus longue que
celle formF~e par un rebord d'extrémité d'un bras
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latéral en extension latérale. Dans l'outi~ suivant
l'invention, l'arête àe coupe est formée par la
portion utile du bras hélicoïdal 3 dégagée au-àelà du
diamètre initial par le pivotement du bras hélico~dal
5 d'une fraction de tour sur lui-même.
L'augmentation du diamètre de l'outil de forage
est fixée par le positionnement des premier et second
tétons 7 et 8 aux extrémités inférieure et supérieure -
10 des bras 3 et la longueur de la rainure 21 de la
bride 5. Cette rainure 21 en arc àe cercle présente
un angle inscrit compris entre 2 et 120°.
L'outil permet d'agrandir jusqu'à deux fois et
demi le diamètre initial avec un gain de précision
sur le diamètre formé, alors que les systèmes connus
ne permettent qu'une augmentation de diamètre
semblable mais sont peu précis.
Les brides sont montées de manière amovible. Blles
peuvent ëtre remplacées par une paire de brides de
diamètres croissants dans lesguelles sont ménagées
des rainures 21 de courbure et d'angle d'ouverture ''
différents, de manière à attribuer à l'outil àe fo-
rage un diamètre pouvant varier dans des plages de
valeurs distinctes.
Ce mécanisme d'ouverture de l'outil permet de
quantifier l'accroissement du diamètre du fond du
puits en contrôlant la position angulaire des bras
hélicoïdaux 3 (voir figure 2).
Dans un mode d'exécution exemplaire,, les bras de
coupe 3 ont une forme courbe composée àe trois
parties .
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1) une partie inférieure àe coupe 18 présentant une
arête coupante 15 définie par le lieu des points
d'intersection du profil de fond de trou et de la
portion de cylindre centré sur l'axe AA' engendrée
par la rainure 21;
2) ûne partie médiane 19 dont tous les points sont
éguidistants de l'axe LL' du puits de forage. I1
s'agit avantageusement à'une section àroite ou
d'une hélice à pas constant àont l'angle d'incli-
naison peut atteindre environ 35°, La partie mè-
àiane 19 s'inscrit pour toute sa hauteur dans une
circonférence dont le diamètre correspond au puits
élargi. La partie méàiane 19 empêche ou limite
tout mouvement transversal àe l'outil élargisseur
par rapport à l'axe àu puits comme le ferait un
stabilisateur de diamètre adéauat;
3) une partie supérieure 22 ayant un diamètre crois-
sant de haut en bas apte de manière à forer vers
le haut, de manière à pouvoir remonter l'outil en
cas de coincement ou de déviation.
La partie inférieure l8 est judicieusement garnie
d'éléments coupants 6 échelonnés le long de chacune
des arêtes coupantes 15 selon le critère bien précis
de densité radiale, de manière crue l'ensemble des
éléments recouvre complètement le'fond du puits et
que chacun d'eux recouvre partiellement le sillage
d'un élément précédent.
Un canal central 23 ménagé dans le corps
cylindriaue 2 creux et prolongé par des canaux
transversaux et longitudinaux 24, 25 ménagés dans les
brides 4, 5 et les bras 3 conduisent le fluide de
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forage sous pression dans des ajutages 26 fixés aux-
dites brides ~', 5 et bras 3 reliés entre eux par des
joints étanches 27. Les ajutages 26 âe chaque bras 3
sont fixes sur une face latérale 33 du bras et sont
dirigés vers les éléments de coupe des bras voisins.
Le diamètre intérieur du corps cylindrigue 2 est
choisi de manière à assurer au débit des boues de
forage une vitesse d'écoulement de 10 à 15 m/s.
La monture cylindrique est agencée àe manière à
permettre un démontage aisé non seulement àes bras
courbes 3 mais aussi àes brides 4, 5. Les bras 3
constituent alors des pièces d'usure. Les brides
interchangeables aue l'on choisit judicieusement dans
un jeu de paires de brides de diamètres croissants
dans lesquelles sont ménagëes des trous de fixation
32 ét des rainures 21 de courbure et d'angle d'ouver-
ture différents, attribuent à l'outil de forage une
flexibilité accrue, puisque à chaque paire de brides
4, 5 correspond un diamètre nominal qui peut varier
dans une plage de valeurs distincte dépendant de la
longueur de la rainure de la seconde briàe 5.
Les bras courbes 3 peuvent étre utilisés inàiffé-
remment avec chaque paire de brides 4, 5 pour toute
une gamme de largeurs de puits de forage.
La figure 7 illustre un montage en duplex 28 de
deux outils élargisseurs 1 selon l'invention, séparés
par une masse-tige 29. Le premier ou~il est précédé
d'un outil de forage, par exemple un trépan à pierres
serties 30, une couronne de sondage ou un tricône.
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207a~8~
Sous réserve de certains modifications,. l'outil
selon l'invention constitue un stabilisateur de
diamètre réglable qui permet d'assurer une
stabilisation précise et/ou sensible àu _puits foré.
T_1 peut aussi être utilisé comme appareil de mesure,
de calibrage ou de palpage des parois du puits.
