OIL, GAS OR GEOTHERMAL DRILLING APPARATUS

APPAREIL DE FORAGE PETROLIER, GAZIER OU GEOTHERMIQUE

Abrégé français

L'objet de l'invention est un appareil de forage pétrolier, gazier ou géothermique
comportant un outil central et un trépan coaxiaux dans lequel l'outil central est entraîné
par le rotor d'un moteur de fond alimenté par la boue de forage et dans lequel le trépan est
entraîné, depuis la surface, par les tiges d'un train de forage appartenant à un système
rotary, ces mêmes tiges soumettant l'appareil à un effort axial. Il est caractérisé en ce que, entre
le stator (4) du moteur de fond et l'embase (5) du trépan, existe un liaison prismatique qui
permet le déplacement axial relatif des deux outils et en ce qu'un ressort (6) est interposé
entre le stator (4) et l'embase (5) de manière à être contraint par le stator quand l'outil central tend à prendre du retard par
rapport au trépan dans leurs mouvements d'avance respectifs, afin de contrôler le déplacement axial relatif des deux outils et de
répartir entre eux, en fonction de ce déplacement, l'effort axial auquel l'appareil est soumis. Application à l'industrie du matériel de
forage notamment pétrolier, gazier ou géothermique.

Abrégé anglais

The subject of the invention is an oil, gas or geothermal drilling rig comprising a central tool and a coaxial bit in which the central tool is driven <IMG> by the rotor of a downhole motor powered by the drilling mud and in which the bit is driven, from the surface, by a drilling string that is part of a rotary system, the string subjecting the device to an axial force, characterized in that, between the stator (4) of the downhole motor and the shank (5) of the bit, there is a sliding link that allows the two tools to move axially relative to each other, and a spring (6) is positioned between the stator (4) and the shank (5) so that it is compressed by the stator when the central tool tends to lag behind the bit as they advance, in order to control the relative axial movement of the two tools and, in terms of that movement, to distribute the axial force to which the device is subjected. Application to the drilling equipment industry, mainly for oil, gas and geothermal drilling.

Revendications

REVENDICATIONS
1. Appareil de forage pétrolier, gazier ou
géothermique comportant un outil central (1) et un trépan (2)
coaxiaux, dans lequel l'outil central (1) est entraîné par le
rotor d'un moteur de fond alimenté par la boue de forage et
dans lequel le trépan (2) est entraîné, depuis la surface, par
les tiges (3) d'un train de forage appartenant à un système
rotary, ces mêmes tiges soumettant l'appareil à un effort
axial,
cet appareil de forage étant caractérisé en ce que,
entre le stator (4) du moteur de fond et l'embase (5) du
trépan, il comprend une liaison prismatique (450) qui permet le
déplacement axial relatif des deux outils et en ce qu'un moyen
élastique (6) est interposé entre le stator (4) et l'embase (5)
de manière à être contraint par le stator quand l'outil central
tend à prendre du retard par rapport au trépan dans leurs
mouvements d'avance respectifs, afin de contrôler le
déplacement axial relatif des deux outils et de répartir entre
eux, en fonction de ce déplacement, l'effort axial auquel
l'appareil est soumis.
2. Appareil de forage conforme à la revendication
1, caractérisé en ce que le stator (4) du moteur de fond et
l'embase (5) du trépan présentent des formes délimitant entre
elles un orifice (7) dont la section est fonction de leurs
positions relatives, par lequel orifice (7) la boue est déviée
de l'orifice d'admission (8) du moteur, de manière à accroître
le débit admis dans le moteur quand le déplacement axial
relatif du stator se fait dans le sens où il tend a contraindre
le ressort (6) et réciproquement.
3. Appareil de forage conforme aux revendications
ou 2, caractérisé en ce qu'une roue libre (211), d'un type
permettant le déplacement axial relatif des deux outils, est

interposée entre l'embase (11) de l'outil central (1) et le
trépan (2), et montée de manière à se verrouiller quand la
vitesse de rotation absolue de l'outil central tend à tomber en
dessous de celle du trépan.

Description

- ' 210401n
APPAREIL DE FORAGE P~TROLIER, GAZIER OU GÉOTHERMI~UE
L'objet de l'invention est un appareil de forage
pétrolier, gazier ou géothermique, comportant un outil central
et un trépan coaxiaux, dans lequel l'outil central est
entraîné par le rotor d'un moteur de fond alimenté par la boue
de forage et dans lequel le trépan est entraîné, depuis la
surface, par les tiges d'un train de forage appartenant à un
système rotary, ces mêmes tiges soumettant l'appareil à un
effort axial.
On connaît (US-A-4.862.974) un appareil répondant à
cette definition; dans un tel appareil, l'action combinée des
deux outils vise à utiliser l'énergie contenue dans la boue
pour accroître l'énergie globale du forage, ce qui devient
nécessaire pour garder une vitesse d'avance suffisante quand le
diamètre du puits devient important.
Un autre intérêt possible de cette organisation est
de permettre à l'outil central de tourner à une vitesse
angulaire plus élevée que le trépan, et de réaliser ainsi des
vitesses linéaires de coupe plus uniformes sur la majeure
partie du diamètre du puits foré.
Dans l'appareil de forage décrit par le brevet (US-A-
4.862.974), l'appareil de forage solidarise complètement
l'embase du trépan et le stator du moteur de fond.
Dans ces conditions, la répartition de puissance est
optimale dans le seul cas où le terrain foré et les conditions
de coupe imposées aux deux outils sont tels que les vitesses
d'avance qui seraient prises par chacun d'eux seraient
identiques s'ils agissaient séparément.
Tout écart par rapport à cette situation idéale se
manifeste par une médiocre répartition instantanée de la
puissance et une concrétisation problématique des avantages
espérés.
,,,~.

2 21 04 0l n
L'un des résultats visés par l'invention est de
remédier à cet inconvénient.
La présente invention vise un appareil de forage
pétrolier, gazier ou géothermique comportant un outil
central et un trépan coaxiaux, dans lequel l'outil central
est entraîné par le rotor d'un moteur de fond alimenté par
la boue de forage et dans lequel le trépan est entraîné,
depuis la surface, par les tiges d'un train de forage
appartenant à un système rotary, ces mêmes tiges soumettant
l'appareil à un effort axial, cet appareil de forage étant
caractérisé en ce que, entre le stator du moteur de fond et
l'embase du trépan, il comprend une liaison prismatique qui
permet le déplacement axial relatif des deux outils et en
ce qu'un moyen élastique est interposé entre le stator et
l'embase de manière à être contraint par le stator quand
l'outil central tend à prendre du retard par rapport au
trépan dans leurs mouvements d'avance respectifs, afin de
contrôler le déplacement axial relatif des deux outils et
de répartir entre eux, en fonction de ce déplacement,
l'effort axial auquel l'appareil est soumis.
Entre le stator du moteur de fond et l'embase du
trépan, l'appareil de forage objet de l'invention comprend
une liaison prismatique de manière ~ permettre la
translation relative des deux outils selon leur a~e commun.
Pour contrôler automatiquement ce déplacement axial
relatif, un moyen quelconque comportant une élasticité, et
que nous appellerons ressort, est interposé entre le stator
du moteur de fond et l'ambase du trépan de manière que le
stator contraigne ce ressort quand l'outil central tend à
prendre du retard par rapport au trépan dans leurs
mouvements d'avance respectifs.
De préférence, pour parfaire l'efficacité du 5ystème
ainsi conçu, le stator du moteur de fond et l'embase du
trépan présentent des formes délimitant entre elles un
orifice dont la section est fonction de leurs positions
relatives, permettant la déviation d'une part variable du
débit de boue, qui évite ainsi l'orifice d'admission du

2a 2 1 04 o 1 n
moteur du fond.
De préférence, l'appareil de forage modifie l'orifice
de déviation de manière à accroître le débit admis dans le
moteur quand le déplacement axial relatif du stator se fait
dans le sens où il tend à contraindre le ressort et
réciproquement.
De préférence, pour éviter que le moteur de fond
puisse fonctionner en pompe si, pour quelque raison que ce
soit, la vitesse de rotation de l'outil central venait à
tomber en dessous de celle du trépan, une roue libre peut
être interposée entre l'embase de l'outil central et le
trépan.
Cette roue libre est évidemment d'un type qui la rend
impuissante à s'opposer au déplacement axial relatif des
deux outils et elle est montée de manière à se verrouiller
quand la vitesse de rotation absolue de l'outil central
tend à devenir inférieure à celle du trépan.
Les avantages de l'appareil de forage objet de
/
.

- 2 1 040 1 0
- il impose aux deux outils une vitesse d'avance
égale en moyenne sans imposer l'égalité, inopportune, des
vitesses d'avance instantanées,
- il réalise automatiquement, à fond de trou, la
variation des conditions de coupe imposées à chacun des outils
en fonction des variations de résistance du terrain et permet
ainsi, dans toutes les circonstances, une répartition
instantanée convenable de la puissance disponible; ainsi, quand
l'outil central tend à prendre du retard dans son mouvement
d'avance et se trouve freiné dans sa rotation, le ressort
contrôle l'accroissement de l'effort sur l'outil central et le
soulagement simultané du trépan, tandis que l'étranglement de
l'écoulement de la boue par l'orifice variable accroît la
puissance hydraulique disponible pour le moteur de fond: ceci
permet au moteur de délivrer un couple plus élevé et à
l'appareil de réagir en souplesse contre le ralentissement de
l'outil central,
- il permet de solidariser automatiquement les deux
outils en rotation, sans devoir interrompre le forage en cours,
lorsque, pour une raison quelconque, le moteur de fond est
immobilisé ou n'a plus la puissance nécessaire pour permettre
à l'appareil de fonctionner dans des conditions normales.
Les fiqures 1 à 3 du dessin ci-annexé décrivent à
titre d'exemple une réalisation de l'appareil de forage, objet
de l'invention, dans laquelle sont présentes toutes les
dispositions énumérées ci-dessus.
La figure 1 présente est une coupe axiale de
l'appareil de forage.
La figure 2 présente, à échelle majorée, une coupe
partielle II-II de la figure 1 (le moteur étant vu de dessus
sans être coupé).
La figure 3 est une partie, à échelle agrandie, de la
coupe axiale présentée à la figure 1.
on reconnaît sur ces figures, l'outil central
entraîné en rotation par un moteur de fond identifié par son
stator 4 ainsi que le trépan 2 et son embase 5 entraînés depuis
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la surface par des tiges 3 d'un train de forage appartenant à
un système rotary.
Entre le stator 4 du moteur de fond et l'embase 5 du
trépan, l'appareil comprend une liaison prismatique 450.
L'embase est ici en deux pièces assemblées par le
filet conique 51.
La liaison prismatique 450 est ici réalisée par une
cannelure comportant quatre dents 40 sur le stator, engagées
entre des dents 50 appartenant à l'embase 5 du trépan.
lo Le ressort 6 travaillant en compression prend appui,
en 570, sur l'embase du trépan et, en 416, sur quatre saillants
41 du stator 4, les surfaces de tête de ces saillants formant,
en 451, un guidage cylindrique complémentaire du stator dans
l'embase du trépan.
Les saillants 41 du stator 4 présentent d'autre part
des faces d'appui 452 qui peuvent constituer avec des faces
d'appui 532 sur des saillants 53 de l'embase 5 du trépan une
butée permettant d'extraire l'appareil du puits sans en perdre
une partie.
L'orifice 7 par où passe la boue déviée de l'orifice
d'admission 8 du moteur de fond est étranglé par le stator 4 du
moteur de fond quand celui-ci comprime le ressort 6, de sorte
qu'un débit de boue croissant est alors admis dans le moteur
par son orifice d'admission 8.
Le débit de boue qui a franchi l'orifice 7 circule
dans l'espace annulaire 453 entre l'embase 5 du trépan et le
stator 4 du moteur de fond, traverse les orifices 52 qui
constituent des restricteurs, puis traverse le trépan et gagne
le puits par des orifices 20 ménagés dans le corps du trépan.
Le débit de boue qui a été admis dans le moteur par
l'orifice 8 traverse le moteur en lui cédant de l'énergie et
s'échappe finalement dans le puits par des orifices lo ménagés
dans l'outil central.
L'appareil de forage comprend encore une roue libre
à rouleaux (211) interposée entre la surface 21 de l'alésage de
l'embase du trépan 2 et une portée de l'embase 11 de l'outil

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central 1.
Cette roue libre est montée de manière qu'elle se
verrouille quand la vitesse de rotation absolue de l'outil
central tend à tomber en dessous de celle du trépan.
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Dessin représentatif