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CA 02518879 2005-09-13
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MÉTHODE ET SYSTEME DE FORAGE AVEC CIRCULATION
INVERSE
La présente invention concerne le domaine du forage, en particulier le
forage Rotary, c'est à dire au moyen de la mise en rotation d'une garniture de
forage liée à un outil de destruction de la roche. Plus précisément, la
présente
invention est mise en oeuvre dans le cadre de la technique du forage à
circulation inverse.
Cette technique de forage en "circulation inverse" peut être considérée
comme non conventionnelle à comparer au forage standard avec circulation en
direct par l'intérieur des tiges dans lequel la pression d'injection en
surface est
souvent comprise entre 100 et 300 bar, compte tenu principalement des pertes
de charges dans la garniture, et la pression dissipée par les duses de l'outil
pour le nettoyer, le refroidir, et éroder la formation. La boue chargée des
déblais remonte dans l'espace annulaire entre le trou foré et la garniture de
forage.
Le forage en circulation inverse consiste à injecter le fluide de forage en
surface par l'espace annulaire et de faire remonter le fluide chargé des
déblais
de forage par l'intérieur de la garniture de forage.
Ainsi, la présente invention concerne un système de forage en
circulation comportant:
- un outil de forage,
- une garniture de forage comportant des tiges de forage,
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- des moyens de mise en rotation dudit outil par l'intermédiaire
desdites tiges. Le système comporte une pompe volumétrique constituée d'un
stator
et d'un rotor, ledit stator étant fixé auxdites tiges de forage, et le rotor
est assemblé
à des tiges de manoeuvre disposées à l'intérieur des tiges de forage.
Le rotor peut être entraîné en rotation par rapport audit stator par au moins
l'une des actions suivantes: la rotation des tiges de forage, la rotation des
tiges de
manoeuvre liées au rotor.
Le rotor de la pompe peut être dégagé du stator en démontant les tiges de
manoeuvre.
L'invention concerne également une méthode de forage en circulation dans
laquelle :
- on effectue la mise en rotation d'un outil de forage par une garniture
de tiges de forage,
- on fait circuler un fluide de forage dans le puits foré. Selon la
méthode, des moyens de pompage sont placés dans ladite garniture de façon à
aspirer le fluide de forage venant du fond du puits par l'espace interne des
tiges de
forage et à refouler ledit fluide vers la surface par l'espace interne des
tiges, de
manière à assurer une circulation inverse, lesdits moyens de pompage
comprenant
une pompe volumétrique constituée d'un stator et d'un rotor, ledit stator
étant fixé
auxdites tiges de forage, et ledit rotor étant assemblé à des tiges de
manoeuvre
disposées à l'intérieur des tiges de forage.
Les moyens de pompage peuvent comporter un stator vissé entre des tiges
de forage et un rotor assemblé à des tiges de man uvre disposées à l'intérieur
des
tiges de forage, ledit stator étant entraîné en rotation avec les tiges de
forage.
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Le rotor peut être entraîné en rotation par les tiges de manoeuvre.
Le niveau de fluide dans le puits peut être contrôlé par le débit de ladite
pompe et le débit de remplissage du puits.
On peut retirer le rotor en démontant les tiges de manoeuvre pour laisser
libre
l'espace interne de la garniture.
On peut rétablir une circulation directe en injectant le fluide de forage par
des
pompes de surface par l'espace interne de la garniture de forage.
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L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus
clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de mise en
oeuvre, nullement limitatif, illustré par les figures ci-après annexées, parmi
lesquelles:
- la figure 1 montre schématiquement le principe de l'invention;
- la figure 2 montre schématiquement une phase d'utilisation de
l'invention.
La figure 1 montre schématiquement un puits 1 foré, ou en cours de
forage, dans le sol. Sur cette figure, le puits est cuvelé en partie, par une
colonne de surface 2, et une colonne intermédiaire 3. La partie du puits
référencée 4 est en découvert, communément appelé "open-hole".
Une garniture de forage se trouve dans le puits. Cette garniture se
compose d'un outil de forage 5, de masses tiges 6, et de tiges de forage 7
dont
les assemblages remontent jusqu'à la surface du sol. Des moyens de mise en
rotation de l'ensemble de la garniture sont référencés 8. Ces moyens de
rotation peuvent être constitués par une table de rotation, ou par une tête
motorisée d'injection dénommée communément par "Power Swivel".
Le système de circulation des fluides de forage comprend des bacs de
surface 9 reliés à la tête de puits par une canalisation 10 de manière à
remplir
le puits par déversement. La charge hydraulique dans l'annulaire du puits 1
étant procurée par le niveau du fluide dans les bacs. Une tête de circulation
11
à raccord tournant collecte le fluide de forage de retour vers les bacs à boue
en
passant sur les moyens de séparation 12.
Selon l'invention, le stator 13 d'une pompe volumétrique est disposé au
sein de l'assemblage des tiges de forage. Le rotor 14 est tenu par des tiges
de
manoeuvre 15 dont l'assemblage remonte jusqu'à la surface, et en particulier
hors de la tête de circulation 11 pour que son extrémité 16 puisse être
accessible à des moyens de manipulation et à des moyens de rotation 17.
Un dispositif d'instrumentation 18 est disposé de préférence au plus
proche de l'outil, et permet les mesures, ainsi que la transmission, de
paramètres de fond, notamment les pressions interne et externe à la garniture.
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La figure 2 montre l'installation de forage dans laquelle on effectue une
circulation directe, c'est à dire une circulation forcée par injection du
fluide de
forage par des pompes de surface 20 dans l'espace intérieur de la garniture 7,
par l'intermédiaire de la tête de circulation 11. Pour cela, le rotor 14 est
retiré
hors du stator 13 de façon à laisser libre le canal interne à la circulation
directe symbolisé par les flèches. A l'aide d'un treuil, non représenté ici,
les
tiges de man uvre 15 sont remontées d'une longueur suffisante pour sortir le
rotor du stator.
Fonctionnement:
Dans le cas du forage en circulation inverse, le fluide de forage propre
descend par l'annulaire, circule autour de l'outil et remonte par l'intérieur
des
tiges. Pour assurer une circulation positive la pompe (de type Moineau)
volumétrique est positionnée à environ -400m permettant de générer un gain
de pression et une circulation forcée d'évacuation de la boue chargée,
circulation facilitant le nettoyage et le refroidissement de l'outil 5.
La forme et la structure de l'outil de forage sont adaptées pour répartir
la circulation au niveau du front de taille de manière à assurer un nettoyage
et
un refroidissement suffisants.
Ce système permet le contrôle du niveau du fluide déversé dans
l'annulaire qui détermine la pression au fond. Cette valeur ajustable permet
d'effectuer un forage avec une pression de fond contrôlée: en surpression
("over
balanced), en équilibre ("at-balance") ou en dépression ("under balanced"),
selon les dénominations conventionnelles.
Selon une variante préférée, la pompe est une pompe de type Moineau
(PCP) de grande capacité (15001/min), avec une faible gain de pression, entre
et 50 bar, compte tenu de sa position dans le puits.
La pompe peut être mono ou multi lobes (de préférence mono lobe).
Le diamètre d'encombrement du rotor doit être tel qu'il puisse passer
dans le diamètre interne des tiges.
30 Le rotor doit tourner à gauche avec entraînement par des tiges ayant
des filetages à gauche pour éviter qu'elles ne se dévissent lors de la
rotation à
droite du train de tiges de forage.
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La rotation du train de tiges de forage étant à droite, la rotation relative
du rotor (gauche) par rapport au train de tige (droite) diminue la vitesse de
rotation appliquée à la surface sur les tiges de man uvre.
Le diamètre du corps du stator de la pompe peut atteindre le diamètre
5 extérieur des raccords de tiges (par exemple: tool joint 6 3/4 (171,45 mm)
pour
tiges 5" (127 mm)).
Un dispositif de positionnement du rotor (non représenté sur les figures)
est installé au dessus du stator de la pompe pour empêcher le passage au
travers du stator, afin de faciliter le réglage de la position du rotor par
rapport
au stator.
Le forage rotary avec table, ou avec tête d'entraînement électrique ou
hydraulique nécessite une adaptation de l'entraînement des tiges de
manoeuvre et de mise en rotation du rotor.
Il faut un retour de boue au travers de la tige par joint tournant avec
une étanchéité en rotation sur les tiges de man uvre 15.
Les instrumentations 18, de type MWD ("Measurement While Drilling")
mesurent, entre autres, la pression à l'intérieur de la garniture et la
pression
dans l'annulaire. Ainsi, la pression annulaire permet de contrôler la hauteur
de la colonne de fluide dans l'annulaire, et la pression interne permet de
détecter des anomalies de pression interne, par exemple dues à des venues
dans le puits: gaz ou hydrocarbure liquide.
Au fur et à mesure de l'approfondissement du forage, la position du
stator devient de plus en plus éloignée de la surface. Pour revenir à un
positionnement optimal, on peut visser sur la garniture de forage, lors de
man uvre des tiges, un second stator qui sera situé plus haut que le premier.
Le rotor sera descendu, mis en place et activé par un ensemble de tiges de
manoeuvre de longueur adéquat. Bien entendu, si la manoeuvre du train de
tiges est complète, on peut alors replacer la premier stator à la place
optimale,
sans avoir besoin d'un second.
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Avantages de l'invention:
= Possibilité, en fonction des phases de forage, de choisir le mode de
circulation de boue: directe ou inverse, en surpression ou en dépression;
= Contrôle de la pression de fond en jouant sur la hauteur de
remplissage de l'annulaire et cela en continu, et possibilité de changer très
rapidement de régime de pression sans changer la densité de la boue,
uniquement en ajustant le niveau de l'annulaire;
^ Bon nettoyage de l'outil, circulation par aspiration au niveau de
l'outil, pas de reforage des déblais;
= Boue:
- La viscosité peut être réduite puisque la vitesse de remontée dans les
tiges est plus grande;
- La densité de la boue est plus ou moins indépendante de la densité
nécessaire au contrôle de la pression de fond;
- Remontée plus rapide des débris de forage, moins mélangés, moins
endommagés. L'information est plus directe et rapide pour le géologue de
surveillance;
= Pas de pompe à boue HP en surface, réservée au contrôle du puits
uniquement ou à des phases de forage classiques avec circulation en direct;
= Pression de pompage très réduite d'ou économie d'énergie et
d'équipement, pas d'usure des tiges soumises à haute pression, pas
d'endommagement de la boue par pompage;
= Possibilité de passer au travers de la pompe volumétrique une fois
le rotor remonté en surface pour permettre l'intervention avec des outils dans
les tiges (coincement, mesures);
= La gestion des rejets est contrôlée puisque le fluide chargé est
confiné dans les tiges. Il peut être transféré facilement dans un séparateur;
= Possible augmentation du ROP
= Endommagement réduit des formations et donc une augmentation
de la production par un forage mieux adapté;
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=
La présente invention peut être avantageusement utilisée dans les cas
suivants:
= Forage des zones déplétées qui nécessitent une faible pression de
fond pour éviter d'endommager le réservoir;
= Forage en dépression "under balanced"
= Forages profond à très profond.
