HINGED DRILLING TOOL

OUTIL ARTICULE DE FORAGE

Abrégé français

L'invention se rapporte à un outil pour le forage de puits pétroliers, gaziers ou
géothermiques, l'outil comporte deux organes principaux, un arbre creux (1) et un corps
d'outil borgne (2) plus élancé que celui des corps d'outils traditionnels, les deux organes
principaux sont mis en liaison sphérique l'un avec l'autre par une rotule (4, 5). Cette
rotule se trouve locatisée tout au fond de la partie borgne du corps d'outil qui porte un
stabilisateur (19) à son autre extrémité. L'outil contient en outre, entre l'arbre creux et le
corps d'outil, un système de transmission approprié (6, 7, 8, 9, 11), séparé de la rotule et
situé entre elle et le stabilisateur. L'avantage essentiel de cet outil réside dans la position
relative de la rotule et du stabilisateur, qui lui confère un comportement dynamique
favorable, sans risque d'arc-boutement. Domaine d'utilisation: forages pétroliers, gaziers
et géothermiques.

Abrégé anglais

The invention relates to a tool for drilling oil, gas or geothermic wells. The tool is comprised of two main members, a hollow shaft (1) and a blind tool body (2) more elongate than conventional tool bodies; the two main members are spherically connected to each other by means of a ball joint (4, 5). Said ball joint is located at the very bottom of the blind portion of the tool body which carries a stabilizer (19) at the other end. The tool is also provided, between the hollow shaft and the tool body, with an appropriate transmission system (6, 7, 8, 9, 11), which is spaced apart from the ball joint and situated between the latter and the stabilizer. The essential advantage of said tool lies in the relative position of the ball joint and the stabilizer, said positioning conferring on the tool a favourable dynamic behaviour, without risk of buttressing. Field of application: drilling of oil wells, gas wells and geothermic wells.

Revendications

7
REVENDICATIONS
1. Outil de forage de puits pétroliers, gaziers ou
géothermiques, animé en rotation par un organe d'entraînement
qui lui transmet aussi un effort d'avance, constitué de deux
organes principaux, dont l'un est un arbre creux (1) assemblé
par l'une de ses extrémités (3) à l'organe d'entraînement, et
l'autre un corps tubulaire borgne (2) appelé ici corps
d'outil, dont l'extrémité fermée porte extérieurement les
tranchants et dont l'extrémité ouverte permet le passage de
l'arbre creux, dans lequel les organes principaux sont en
liaison sphérique, CARACTERISE :
- en ce que l'arbre creux transmet le couple de forage au
corps d'outil par un système de transmission dit à
configuration variable comprenant, entre l'arbre creux et le
corps de l'outil, un élément intermédiaire (6)mis en liaison
avec chacun des organes principaux,
- en ce qu'une rotule (4,5) matérialisant la liaison
sphérique est localisée tout au fond de la partie borgne du
corps d'outil,
- en ce que le corps d'outil porte un stabilisateur (19)
localisé à son autre extrémité, à une distance du centre de la
rotule de l'ordre de 2,5 fois au moins le diamètre
extérieur du corps d'outil,
- en ce que le système de transmission à configuration
variable (6,7,8,9,11) est séparé de la rotule et localisé du
même côté de cette rotule que le stabilisateur et
- en ce que ce système utilise pour transmettre le couple
de forage un élément intermédiaire (6) entourant l'arbre
creux.
2. Outil de forage conforme à la revendication 1
caractérisé en ce que la liaison sphérique (4,5) localisée
dans le fond du corps d'outil est unilatérale, de manière à ne
transmettre, de l'arbre creux au corps d'outil, qu'un effort
dirigé dans le sens du mouvement d'avance, le centre (A) de la
rotule qui réalise la liaison sphérique unilatérale pouvant
ainsi être reporté le plus loin possible dans le sens du
mouvement d'avance.

8
3. Outil de forage conforme à la revendication 1,
caractérisé:
- en ce que le système a transmission à configuration
variable est constitue d'un manchon (6) contenu dans le corps
d'outil (2), portant a l'une de ses extrémités une denture
droite intérieure (7) et à l'autre extrémité une denture
bombée extérieure (8),
- en ce que la denture droite intérieure (7) de ce
manchon engrène avec une denture extérieure bombée ( 9 ) de même
nombre de dents, solidaire de l'arbre creux et,
- en ce que la denture extérieure bombée du manchon (8)
engrène avec une denture intérieure droite (11) de même nombre
de dents, solidaire du corps d'outil, de manière à constituer
un accouplement déformable entre l'arbre creux et le corps
d'outil, un appui ponctuel supplémentaire (12) du manchon sur
l'un des organes principaux de l'outil limitant unilatérale-
ment la translation absolue du manchon sans en restreindre les
libertés relatives.
4. Outil de forage conforme à la revendication 1,
caractérisé en ce que le stabilisateur (19) localisé au
voisinage de l'extrémité ouverte du corps d'outil est en
liaison rotoïde (20,21) avec le corps d'outil.
5. Outil de forage conforme à la revendication 1,
caractérisé en ce qu'un double système d'étanchéité déformable
(15,16) isole, entre l'arbre creux et le corps d'outil, une
chambre à huile (17) contenant la rotule et le joint de
transmission, et en ce que ce double système d'étanchéité est
constitué d'une membrane avant (15), dont la forme à l'état
libre est celle d'un tube portant une bride à une de ses
extrémités, la partie de forme tubulaire de cette membrane
étant engagée dans la surface intérieure de l'arbre creux et
la bride étant engagée dans le corps d'outil, et une membrane
arrière (16), dont la forme libre est celle d'un tronc de
cône, et qui se trouve attachée dans la surface extérieure de
l'arbre creux (1) et dans la surface intérieure du corps
d'outil (2), de manière que la petite base du tronc de cône
soit située du côté de la partie ouverte du corps d'outil et,
- en ce que le corps d'outil (2) présente à hauteur de la
membrane arrière (16) des ouvertures (18) permettant de

9
ramener le flux de boue remontante à l'intérieur du corps
d'outil en créant le long de la membrane arrière (16) un effet
de balayage empêchant la sédimentation de particules dures
entre la membrane et le corps d'outil.

Description

2~ 9Q658
. . ~
OITTIL ARTIC~IE POUR LE FORAGE DE P~7ITS pE9~ T~R~, G~ZIER8 OU
~ISU ~ OUE8
L'invention est relative ~ un outil de ~orage de puits
pétroliers, gaziers ou géothermiques, animé en rotation, soit
depuis la surface par un systeme rotatif de tiges et de
masses-tiges, soit par un moteur de fond.
L'outil comporte deux organes principaux. Le premier est
un arbre creux qui s'assemble par l'une de ses extrémités soit
à la dernière tige du train, soit à l'arbre du moteur par
lequel doit alors etre amenée la boue de f orage . Par souci
d'unité de langage, nous appellerons "organe d'entra~nement"
15 dans les deux cas, la tige ou l ' arbre du moteur auquel
s'assemble l'arbre creux appartenant à l'outil. C'est aussi
par cet organe d'entrl~n ~ que l'effort d'avance est
transmis à l'outil. Le deuxième organe principal de l'outil
est un corps t~lh~ ;re borgne, appelé ci-après "corps
20 d'outil", dont l'extrémité fermée porte extérieurement les`
tranchants, et dont l'extrémité ouverte permet le passage de
l ' arbre creux.
Les organes pr;nciral~Y sont en liaison spherique et cette
liaison est matérialisée par une rotule; nous appelons "centre
25 de la rotule" le centre commun aux deux surfaces sphériques
qu'elle met en contact. L'existQnce de cette liaison sphérique
impoSQ de recourir ~ une deuxième liaison permettant la
~r;sncm;ccion du couple de forage de l'arbre creux au corps de
l'outil en respectant les libertés relatives de ces deux
30 organes, découlant de leur liaison sphérique.
Un outil articulé répondant à cette déf inition
appartiennent ~ tat de la technique (brevet GB-A-
2.190.411). L'outil décrit par ce brevet est conçu en vue de
son utilisation en forage dévie; de ce fait, le corps d'outil
35 est aussi court que po5sible, la rotule est située au-dessus
du corps d'outil (GB-A-2.190.411), l'arbre creux est
presqu'entièrement en dehors du corps d'outil et le _ystème de
transmission est intégré ~ la rotule, au détriment de
l'étendue des surfaces sphériques en contact.
~--UILLE MODIFIEE
IPEA/EP ~

2 2190658
L'outil objet de la présente invention est
préférentiP~ t destiné aux forages en ligne droite. Cet
outil présente un corps relativement élancé, la rotule est
située tout au fond de l'extrémité borgne du corps d'outil qui
porte ~ son autre extrémité un stabilisateur, et le système de
trAn~m; ~ion, séparé de la rotule, est localisé du meme côté
de cette rotule que le stabilisateur. La distance entre le
centre de la rotule et le stabilisateur, d'une maniare précise
entre ce centre et le plan perpPn~i;c~ ;re à l'axe de l'outil
situé à mi-hauteur de ce stabilisateur, doit être au minimum
de l'ordre de 2,5 fois le ~ r~Lt: du corps d'outil, et
d'autant plus grande que l'agressivité latérale des tranchants
de l'outil est plus grande.
Les systèmes de transmission utilisés dans l'outil objet
de l' invention se distinguent de ceux qui sont utilisés dans
les outils articulés connus par le fait qu' ils sont
extérieurs à la rotule dont on évite ainsi d'entamer les
surfaces portantes, et par le fait qu'ils comportent, entre
l'arbre creux et le corps de l'outil, un element intP ~-; I;re
entourant l'arb~e creux. Cet element est mis en liaison avec
chacun des organes principaux par des dentures particulières
quand cet element est rigide, ou par assemblage quand il est
déformable (co~ue flexible). Dans tous les cas, nous dirons
qu'il s'agit d'une transmission "à configuration variable".
Toute comparaison entre le comportement de l'outil objet
de l'invention et les outils articulés cités dans l'état de la
technique est difficile, puisque leurs ~1l ;nPc d'utilisation
preferentiels sont differents.
Par rapport aux outils monolithiques connus, les
avantages presentes par l'outil objet de l'invention se
situent dans le comportement dynamique de celui-ci. Ce
comportement est rendu largement ; n~9~5rPn~l~nt des mouvements
parasites de l'organe d'entraInement, sans que cette
;n~rPn~ nce empeche l~outil de reagir de lui-même aux
vibrations les plus ge~antes excitees par le mouvement de
coupe et sans que ses deux organes principaux puissent se
mettre en configuration d'arc-boutement. Ces avantages
resultent de la position relative de la rotule et du
s~;~hili~ateur appartenant au corps d'outil.
e -~1ILLE MODIFIEE
~ A r~: D _~

3 2 1 91~65~
Considérons deux cas de fonct j~^~nn^--nt possibles de
l ' outi l ob j et de l ' inventi on .
Dans le premier de ces cas, l ' axe de l ' arbre crQUX
assemblé à l'organe d'entraInement est supposé maintenu par
celui-ci dans l'axe du puits déjà foré et l'outil est supposé,
par suite des conditions de coupe qu'il rencontre, tendre à
amorcer un mouvement de précession. La position du centre de
la rotule, auquel s'identifie le sommet du cone de précession,
permet au corps d' outil de réagir spontAn ~ ~ à l ' inclinaison
qui en résulte pour l'effort de coupe: cet effort tend lui-
meme à ramener le corps d'outil en ~^oA~;^1 ité avec l'arbre
creux, avec une sensibilité d'autant plus grande que le centre
de la rotule est situé plus loin des surfaces de contact de
cette rotule, dans le sens du muuv~ d'avance de l'outil.
Dans ce cas, l'action du stabilisateur empêche que
l'inclinaison relative de l'outil devienne suffisante pour
provoquer un contact entre l'arbre creux et le corps d'outil à
l ' extrémité ouverte de celui-ci, avant que soit intervenue la
réaction spontanée de l ' outil .
Dans le (~ ` cas considéré, une déformation de
1 ' organe d ' entraînement est supposée amener 1 ' axe de 1 ' arbre
creux à s ' incliner par rapport à 1 ' axe du puits . L ' axe de
l ' arbre creux décrit alors par rapport ~ l ' axe du puits un
cone dont le sommet coïncide avec le centre de la rotule. Le
corps d'outil tend A suivre l'arbre creux dans ce uv~ nt
mais le stabilisateur l'en empêche, d'une manière
particulièrement efficace si le st^hil i C~teur est en liaison
rotoïde avec le corps d'outil: celui-ci continue donc à
progresser dans 1 ' axe du puits, ; n~rAn(l~mm~nt du -- uv, L
perturbé que l'organe d'entraInement déformé impose à l'arbre
creux .
La position de la rotule tout au fond du corps d'outil
permet de reporter le centre de cette rotule le plus loin
possible dans le sens du muuv --~ d'avance sans affaiblir de
manière excessive le pa~voir de guidage latéral de la liaison
sphérique. Mais cette liaison sphérique devient unilatérale et
un contact alternatif doit donc etre prévu entre les deux
organes principaux de l'outil pour p~L ~L.2 de descendre et
de remonter l'outil sans risquer d'en perdre le corps.
FEUILLE ~ J~ IEE
IPE^ -.-

4 2~ ~G658
En reportant ainsi le centre de la rotule aussi loin que
possible dans la direction indiquée, on améliore encore le
comportement dynamique de l'outil et on augmente, pour un
~lAnc- -nt donné du corps d'outil, la distance entre le centre
de la rotule et le stabilisateur.
Lorsque les surfaces en contact, dans la rotule et dans
le systame de transmission sont métalliques, une lubrification
de ces surfaces est indispensable non seulement pour leur
conservation, mais pour ~l;m;nll~r dans ces contacts les efforts
de frottement, qui éloignent le comportement de l'outil de son
comportement idéal. Il est donc prévu, en cas de nécessité,
d'isoler entre le corps d'outil et l'arbre creux une chambre à
lubrifiant contenant la rotule et le système de transmission à
conf iguration variable . Cette chambre est limitée par un
double système déformable d'étanchéité autorisant les
_v, - -ts relatifs du corps d'outil et de l'arbre creux
libérés par la rotule et permettant de maintenir le lubrifiant
enfermé à une pression voisine de celle du flux de boue de
f orage remontant vers la surf ace .
La figure unique montre à titre d'exemple non-limitatif
un outil de forage conforme à l'invention.
Dans la coupe partielle que présente cette figure, on
peut voir les deux organes principaux constitutifs de l'outil:
l'arbre creux 1 et le corps d'outil 2, de forme tl~hl~lA;re
~orgne portant à son extrémité fermée les plaquettes
tranchantes telles que 22. L'arbre creux 1 s'assemble par
l ' une de ses extrémités à l ' organe d ' entrA t n L, non
représenté, par l'int~:~ ''; A ire du filet conique 3. Par son
autre extrémité, l'arbre creux 1 est mis en liaison sphérique
avec le corps d'outil 2 par une rotule, localisée dans
l'extrémité fermée du corps d'outil et constituée de l'élément
4 portant la surface male et solidaire du corps d'outil ainsi
que de l'élément 5 portant la surface femelle et solidaire de
l'arbre creux. Les surfaces de contact mâle et femelle, en
conformité dans la rotule, sont centrées au point A que nous
avons appelé centre de la rotule. L' arbre creux 1 et le corps
d'outil 2 sont une seconde fois mis en liaison par le manchon
6 qui porte une denture intérieure droite 7 et une denture
extérieure bombée 8. La denture intérieure droite 7 du manchon
l:EUILLE ~ EE
IPE^~'_?~

5 219~5~
~@ngrène avec la denture extérieure bombée 9, de même nombre de
dents, usinee sur la pièce lo solidaire de l'arbre creux et la
denture exterieure bombee 8 du manchon engrène avec la denture
intérieure droite 11, de même nombre de dents, solidaire du
corps d'outil. Cette deuxième liaison entre l'arbre creux et
le corps d'outil se presente donc sous la forme d'un
accouplement déformable, le manchon 6 ayant un contact
ponctuel supplementaire par la surface 12 avec la partie 5 de
la rotule, de manière à limiter vers l'avant la translation
absolue du manchon.
La liaison spherique réalisée par la rotule 4, 5 étant ici
unilatérale, c'est-a-dire apte à transmettre, de l'arbre creux
au corps d'outil un effort dirigé dans le sens du mouvement
d'avance seulement, un contact de substitution est prévu entre
la surface 13 liée à l'arbre creux et la surface 14 liée au
corps d ' outil, lors de la descente ou de la remontée de
1 ' outil, pour permettre, pendant ces opérations, la
transmission d'un effort agissant de l'arbre creux au corps
d'outil dans le sens opposé à celui que la rotule peut
tr~n LLL~.
Deux systèmes d'étanchéité utilisant respectivement les
membranes 15 et 16 isolent de la boue de forage, entre l'arbre
creux et le corps d'outil, une chambre d'huile I7 contenant le
lubrif iant indispensable à la rotule et à 1 ' accouplement .
La membrane 15 (membrane avant), dont la forme à l'etat
libre est celle d'un tube portant une bride à une de ses
extrémités, est engagée par sa partie de forme tubulaire dans
la surface intérieure de l'arbre creux et par sa partie en
forme de bride dans le corps d'outil. Cette membrane, qui
sépare le flux de boue dP~cPn~nt (à haute pression) du
lubrifiant contenu dans la chambre d'huile, est en conformite
avec des surfaces métalliques sur la plus grande partie de son
étendue, et elle est libre sur une étendue de sa surface juste
suffisante pour qu'elle présente la déformabilité n~cPc~;re
3 5 aux débattements relat~if s de 1 ' arbre creux par rapport au
corps d'outil pendant le fonctirlnn de l'outil, et pendant
sa descente ou sa remontée, pour p~L ~Lr ~ l'entrée en contact
des surfaces 13 et 14.
FEUILLE MO~
.tE

6 2 t qo~58
~/ La membrane 16 (mem~brane arrière) dont la forme à l'état
libre est celle d'un tronc de cône, est attachée par le
périmètre de sa petite base à la surface extérieure de l'arbre
creux, et par le périmètre de sa grande base à la surface
5 intérieure du corps d'outil, de manière que la petite base
soit située du côté de la partie ouverte du corps d'outil. Des
ouvertures latérales telles que 18 sont percées dans le corps
de l'outil, à hauteur de la membrane 16, de manière à ramener
à cet endroit le flux de boue remontante à l'intérieur du
10 corps d'outil, et à créer ainsi, le long de la face arrière de
la membrane, un effet de balayage pmra~h~nt toute
sédimentation de corps durs à proximité de cette membrane.
L'outil comporte un St~hil icateur 19 au voisinage de
l'extrémité ouverte du corps d'outil. Dans la réalisation
15 illustrée ici, ce stabilisateur l9 est en liaison rotoïde avec
le corps d'outil par l'int~L '~;~;re des roulements 20 et 21,
lubrifiés séparément, à la graisse, lors du montage et~ des
entretiens .
,
FEUiLLE M~ .tE
IPEAIEP

Dessin représentatif