<Desc/Clms Page number 1>
"Dispositif de coupe d'échantillons carottés et procédé de réduction d'un débit de fluide"
Domaine technique
La présente invention se rapporte dans l'ensemble à des dispositifs et procédés pour prendre des échantillons carottés de formations souterraines. Plus spécifiquement, la présente invention se rapporte à un trépan de carottage présentant des particularités pour commander l'écoulement d'un fluide de forage dans un espace annulaire étroit entre le diamètre interne du trépan de carottage et le diamètre externe d'un sabot de carotte associé, d'un dispositif de carottage, pour une réduction du contact du fluide de forage avec, et une possible invasion et contamination de, une carotte en cours de coupe.
Contexte
Du carottage de formations est un processus bien connu dans l'industrie du pétrole et du gaz. Dans des opérations de carottage usuelles, un ensemble de tube de carottage est utilisé pour couper une carotte cylindrique à partir de la formation souterraine et pour transporter la carotte jusqu'à la surface en vue d'une analyse. Une analyse de la carotte peut révéler des données inestimables concernant des formations géologiques du sous-sol - comprenant des paramètres comme la perméabilité, la porosité et la saturation en fluide - qui sont utiles dans l'exploration pour du pétrole, du gaz et des minerais. Des données de ce genre sont également utiles pour l'évaluation d'un site de construction et pour des opérations d'exploitation de carrière.
Un ensemble de tube carottier usuel comprend typiquement un tube extérieur qui a, à une extrémité, un trépan de carottage adapté pour couper la carotte cylindrique et pour recevoir la carotte dans une ouverture centrale ou gueulard.
L'extrémité opposée du tube extérieur est fixée à l'extrémité d'un train de tiges qui comprend usuellement une pluralité de sections tubulaires qui s'étendent jusqu'à la surface. Situé à l'intérieur du, et fixé de façon détachable au, tube extérieur, il y a un ensemble de tube intérieur comportant une tubulure intérieure configurée pour retenir la carotte. L'ensemble de tube intérieur comprend de plus un sabot de carotte disposé à une extrémité de la tubulure intérieure, à proximité du gueulard du trépan de carottage. Le sabot de carotte est configuré pour recevoir la carotte à mesure qu'elle
<Desc/Clms Page number 2>
entre dans le gueulard et pour guider la carotte dans la tubulure intérieure.
Tant la tubulure intérieure que le sabot de carotte sont suspendus dans le tube extérieur et tournent librement par rapport au trépan de carottage et au tube extérieur. Ainsi, lorsque la carotte est coupée - par l'application d'un poids sur le trépan de carottage par l'intermédiaire du tube extérieur et du train de tiges, conjointement à la rotation de ces composants - la carotte traverse le gueulard du trépan de carottage pour éventuellement atteindre le sabot de carotte fixe du point de vue de la rotation et qui reçoit la carotte et la guide dans l'ensemble de tube intérieur où la carotte est retenue jusqu'à ce quelle soit transportée à la surface pour un examen.
Des trépans de carottage usuels comprennent généralement un corps de trépan qui a une surface faciale à une extrémité. L'extrémité opposée du trépan de carottage est configurée, par exemple par des filets, pour une connexion au tube extérieur. Situé au centre de la surface faciale, il y a le gueulard qui s'étend dans une cavité cylindrique creuse formée dans le corps de trépan. La surface faciale comprend un pluralité de couteaux agencés dans une combinaison choisie. La combinaison de couteaux comprend au moins un couteau de calibre externe disposé à proximité de la périphérie de la surface faciale et qui détermine le diamètre du trou de sonde foré dans la formation.
La combinaison de couteaux comprend également au moins un couteau de calibre interne disposé à proximité du gueulard et qui détermine le diamètre externe de la carotte en cours de coupe.
Pendant des opérations de carottage, un fluide de forage est mis usuellement en circulation à travers l'ensemble de tube de carottage pour lubrifier et refroidir la pluralité de couteaux disposés sur la surface faciale du trépan de carottage et pour retirer de la surface faciale du trépan des copeaux de formation à transporter vers le haut jusqu'à la surface à travers l'espace annulaire déterminé entre le train de tiges et la paroi du trou de sonde. Un fluide de forage, ou boue de forage, typique peut être à base d'hydrocarbure ou d'eau dans laquelle une matière minérale en grains fins est en suspension. Le trépan de carottage comprend un ou plusieurs orifices ou ajutages positionnés pour fournir du fluide de forage jusqu'à la surface faciale.
Dans l'ensemble, un orifice comprend une sortie d'orifice, à l'endroit de la surface faciale, en communication avec un passage. Le passage s'étend à travers le corps du trépan et se termine à une entrée d'orifice. Chaque entrée d'orifice est en communication pour fluide avec une zone annulaire supérieure formée entre le corps du trépan et les tubulure intérieure et sabot de carotte. Le fluide forage reçu sous pression du train de tiges est amené à circuler dans la zone annulaire supérieure et cela permet que
<Desc/Clms Page number 3>
l'entrée d'orifice de chaque orifice tire du fluide de forage de la zone annulaire supérieure.
Du fluide de forage s'écoule alors à travers chaque passage et sort à sa sortie d'orifice associée afin de lubrifier et refroidir la pluralité de couteaux sur la surface faciale et afin de retirer des copeaux de formation comme noté ci-dessus.
Dans des ensembles de tube de carottage usuels, il y a un espace annulaire étroit dans la zone délimitée par le diamètre intérieur du corps de trépan et par le diamètre extérieur du sabot de carotte. L'espace annulaire étroit est essentiellement une extension de la zone annulaire supérieure, et en conséquence l'espace annulaire étroit est en communication pour fluide avec la zone annulaire supérieure. Ainsi, en plus de s'écouler dans les entrées d'orifice, le fluide forage sous pression et qui circule dans la zone annulaire supérieure s'écoule également dans l'espace annulaire étroit entre le corps de trépan et le sabot de carotte. Le fluide de forage qui bipasse les entrées d'orifice et qui continue dans l'espace annulaire étroit est communément désigné comme étant un "écoulement divisé".
L'espace annulaire étroit se termine à l'entrée du sabot de carotte et tout fluide de forage qui s'écoule dans ses limites est évacué à proximité du gueulard du trépan de carottage. Il en résulte que du fluide de forage qui s'écoule depuis l'espace annulaire étroit, ou écoulement divisé, entre en contact avec la surface extérieure de la carotte en cours de coupe lorsque la carotte traverse le gueulard et entre dans le sabot de carotte.
Un fort écoulement divisé peut produire des problèmes importants pendant des opérations de carottage, en particulier lors d'un carottage dans des formations relativement tendres à moyennement dures ou dans des formations non consolidées. Du fluide de forage déversé près de la carotte lorsque celle-ci traverse le gueulard et entre dans le sabot de carotte envahit et contamine la carotte elle-même.
Pour des formations tendres ou non consolidées, ces fluides de forage qui envahissent la carotte peuvent affouiller ou autrement déranger gravement la matière de la carotte.
La carotte peut être tellement méchamment endommagée par l'invasion du fluide de forage que des tests standards de perméabilité, de porosité et d'autres caractéristiques produisent des résultats non fiables ou ne peuvent pas être exécutés du tout. Une invasion par fluide de carottes non consolidées ou fragmentées est une affaire de grand souci dans l'industrie pétrolière parce que beaucoup de formations produisant des hydrocarbures, par exemple du sable et du calcaire, sont du type non consolidé.
Pour des formations plus dures, du fluide de forage entrant en contact avec la carotte peut encore pénétrer dans la carotte, en contaminant la carotte et en rendant difficile d'obtenir des données de test fiables. Ainsi, limiter une invasion par fluide de la carotte
<Desc/Clms Page number 4>
peut améliorer fortement la qualité et l'aptitude à la récupération de la carotte tout en donnant une caractérisation plus fiable de la formation forée.
Des dispositifs et procédés de carottage pour réduire une invasion par fluide de la carotte ont été proposés. Le brevet US-A-4 981 183 de Tibbitts et le brevet US-A-5 568 838 de Struthers et associés décrivent chacun une restriction d'écoulement dans l'espace annulaire étroit entre le diamètre intérieur du corps de trépan et le diamètre extérieur du sabot de carotte. La restriction d'écoulement se compose d'une surface porteuse sur le sabot de carotte, en contact coulissant avec un rebord correspondant sur le trépan de carottage. Une fermeture importante pour le fluide est formée essentiellement dans la zone de contact entre la surface porteuse et le rebord.
Cependant, la conservation d'une fermeture fiable au fluide pendant une opération de carottage nécessite un contact continu, ou au moins une proximité serrée, entre la surface porteuse et le rebord lorsque la surface porteuse tourne par rapport au rebord.
Le brevet US-A-5 460 230 de Decoster décrit également l'introduction d'une restriction d'écoulement dans l'espace annulaire étroit entre le diamètre intérieur du corps de trépan et le diamètre extérieur du sabot de carotte. La restriction au fluide est formée par une lèvre annulaire façonnée à l'extrémité du sabot de carotte et une rainure annulaire correspondante sur le diamètre intérieur du corps de trépan de carottage. La relation essentiellement correspondante entre la lèvre annulaire et la rainure annulaire forme un coude de 180 degrés dans le trajet d'écoulement de l'espace annulaire étroit. Les dimensions de la lèvre annulaire et de la rainure annulaire peuvent être sélectionnées de façon à ce que la résistance à l'écoulement soit optimisée et qu'en conséquence l'écoulement divisé soit minimisé.
Cependant, en plus de nécessiter, le façonnage d'une lèvre annulaire sur le sabot de carotte, le corps de trépan et le sabot de carotte doivent être fabriqués selon des tolérances précises afin de conserver la restriction d'écoulement souhaitée tout en minimisant simultanément un contact d'interférence entre le sabot de carotte et le corps de trépan lorsqu'il tournent l'un par rapport à l'autre pendant un carottage.
En plus de la restriction d'écoulement dans l'espace annulaire étroit, le brevet de Dekoster décrit des modifications aux orifices qui s'étendent à travers le corps de trépan. Chaque orifice comprend un ajutage de sortie dévié et un passage incliné à l'écart de la carotte coupée. L'ajutage de sortie dévié et le passage incliné dirigent du fluide de forage à l'écart de la carotte lorsque le fluide de forage sort de la sortie d'orifice sur la surface faciale du trépan. Pour favoriser davantage un
<Desc/Clms Page number 5>
écoulement du fluide de forage à l'écart de la carotte, un effet de détachement du jet de fluide est produit en situant chaque sortie d'orifice sur une surface latérale entre deux lames successives. Les lames qui comportent des couteaux disposés sur elles sont dressées par rapport aux surfaces latérales et aux sorties d'orifice.
Le détachement du jet de fluide facilite l'écoulement du fluide de forage à l'écart de la carotte lorsque le fluide de forage sort à travers les ajutages de sortie déviés. Des modifications de ce genre au passage et à la sortie d'orifice de chaque orifice n'affectent cependant pas, à travers l'espace annulaire étroit, l'écoulement divisé.
En conséquence, il y a dans le métier de carottage de formations un besoin de dispositifs et procédés de réduction de l'écoulement de fluides de forage dans l'espace annulaire étroit entre le diamètre intérieur du corps de trépan et le diamètre extérieur du sabot de carotte, ou de l'écoulement divisé. Minimiser l'écoulement divisé réduira une invasion par fluide de la carotte. Des trépans de carottage usuels présentent des conception et construction fortement robustes puisque les environnements mécaniques et chimiques dans lesquels doit fonctionner le trépan de carottage peuvent être rudes. Ainsi, tout trépan de carottage comportant des particularités pour réduire un écoulement divisé doit être fiable et aisément entretenue et en même temps ne doit pas compromettre la solidité du trépan de carottage pendant des opérations de carottage.
Brève description de l'invention
La présente invention comprend un trépan de carottage d'une configuration offrant un écoulement divisé réduit, une invasion par fluide de forage réduite d'une carotte et ainsi une qualité et une aptitude à la récupération améliorées de la carotte en comparaison à des trépans de carottage usuels. Le trépan de carottage suivant la présente invention peut être utilisé avec des ensembles de tube de carottage usuels et est de plus adaptable à des procédés de carottage usuels. Les particularités nouvelles du trépan de carottage amélioré de l'invention ne compromettent pas la solidité du trépan de carottage ; en conséquence, le trépan de carottage de la présente invention peut résister à des environnements mécaniques et chimiques rudes rencontrés pendant des opérations de carottage.
Dans une forme de réalisation de la présente invention, l'écoulement divisé réduit est obtenu en accroissant l'aire de section transversale des orifices qui est ouverte pour recevoir un écoulement en provenance de la zone annulaire supérieure.
Une aire de section transversale accrue pour recevoir l'écoulement peut être obtenue en donnant une forme appropriée aux entrées d'orifice. Une forme conique dans
<Desc/Clms Page number 6>
l'ensemble à l'endroit de l'entrée d'orifice s'est montrée expérimentalement être adéquate à cette fin. Dans une autre forme de réalisation, l'écoulement divisé réduit est obtenu en relâchant l'angle d'accès des entrées d'orifice. Relâcher l'angle d'accès aux entrées d'orifice oriente les entrées d'orifice plus près de la parallèle au trajet d'écoulement s'étendant vers le bas à partir de la zone annulaire supérieure et procure dans les entrées d'orifice une douce transition d'écoulement à angle faible.
Expérimentalement, il s'est démontré que relâcher l'angle d'accès depuis un angle usuel de 45 degrés jusqu'à un angle approximativement de 30 degrés est approprié à cette fin.
Dans encore une autre forme de réalisation du trépan de carottage suivant la présente invention, le volume d'un réservoir annulaire destiné à alimenter les orifices est accru. Le réservoir annulaire qui reçoit du fluide de forage depuis la zone annulaire supérieure alimente également l'espace annulaire étroit. Un réservoir annulaire avec un volume plus grand procure un temps supplémentaire pour que l'écoulement pénétrant dans le réservoir annulaire se réorganise et se répartisse à travers tout le volume du réservoir annulaire, en permettant par cela au fluide de s'écouler de manière circonférentielle autour du réservoir annulaire et d'être alimenté dans les entrées d'orifice plutôt que de s'écouler axialement à travers le réservoir annulaire, au-delà des entrées d'orifice, et dans l'espace annulaire étroit en dessous de cela.
Il a été démontré expérimentalement que jusqu'à approximativement 70 pour cent d'accroissement du volume du réservoir annulaire est adéquat à cette fin.
Dans encore une autre forme de réalisation de la présente invention, un écoulement divisé réduit est obtenu en introduisant des particularités de surface ou topographiques dans la délimitation ou le profil de délimitation du trajet d'écoulement de l'espace annulaire étroit afin d'accroître une résistance à l'écoulement de fluide dans l'espace annulaire étroit. Il a été démontré expérimentalement que des bords carrés, des reliefs rectangulaires, des reliefs triangulaires ou des reliefs circulaires disposés sur le profil de délimitation de l'espace annulaire étroit sont appropriés à cette fin.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront des revendications secondaires et de la description des dessins qui sont annexés au présent mémoire et qui illustrent, à titre d'exemples non limitatifs, le procédé et des formes de réalisation particulières du trépan suivant l'invention et/ou du procédé de commande de l'écoulement du fluide de forage.
<Desc/Clms Page number 7>
Brève description des dessins
Bien que la description se termine par des revendications qui relèvent particulièrement et revendiquent distinctement ce qui est considéré comme étant la présente invention, les particularités et avantages de cette invention peuvent être plus aisément vérifiés à partir de la description détaillée suivante de l'invention lorsqu'elle est lue en liaison avec les dessins annexés.
La figure 1 est une vue latérale partielle en élévation d'un ensemble de tube de carottage usuel pour couper un échantillon carotté à partir d'une formation souterraine.
La figure 2 est une vue de face du bas d'un trépan de carottage à titre d'exemple.
La figure 3 est une vue en coupe transversale, prise le long de la ligne III-III de la figure 2, d'un trépan de carottage à titre d'exemple, d'une configuration intérieure usuelle, ainsi que d'un sabot de carotte associé et d'un tube intérieur.
La figure 4 est une vue en coupe transversale, prise le long de la ligne III-III de la figure 2, d'un trépan de carottage d'une configuration intérieure suivant la présente invention, ainsi que du sabot de carotte associé et du tube interne.
La figure 5 est une vue partielle agrandie du trépan de carottage à titre d'exemple, montré en coupe transversale à la figure 3.
La figure 6 est une vue partielle agrandie du trépan de carottage suivant la présente invention, montré en coupe transversale à la figure 4.
La figure 7 est une vue partielle agrandie du trépan de carottage à titre d'exemple, montré en coupe transversale à la figure 3.
La figure 8 est une vue partielle agrandie du trépan de carottage suivant la présente invention, montré en coupe transversale à la figure 4.
La figure 9 est une vue en coupe transversale agrandie d'un espace annulaire étroit déterminé en partie par un trépan de carottage présentant une première topographie intérieure suivant l'invention.
La figure 10 est une vue en coupe transversale agrandie d'un espace annulaire étroit déterminé en partie par un trépan de carottage présentant une seconde topographie intérieure suivant l'invention.
La figure 11est une vue en coupe transversale agrandie d'un espace annulaire étroit déterminé en partie par un trépan de carottage présentant une troisième topographie intérieure suivant l'invention.
<Desc/Clms Page number 8>
Meilleur(s) mode(s) de mise en oeuvre de l'invention
Les figures 1 à 11font référence à plusieurs éléments identiques et ces éléments identiques conservent la même désignation numérique dans toutes les figures.
Il est montré à la figure 1 une forme de réalisation à titre d'exemple d'un ensemble 1 de tube de carottage usuel. L'ensemble 1 de tube de carottage usuel comprend un tube extérieur 3 présentant un trépan de carottage 10 qui est disposé à une de ses extrémités. L'extrémité opposée 4 du tube extérieur 3 est configurée pour une fixation à un train de tiges (non montré). Le trépan de carottage 10 usuel comprend un corps de trépan 12 présentant une surface faciale 20. Disposée sur la surface faciale 20, il y a une ouverture centrale ou gueulard 14 qui s'étend dans le corps de trépan 12 et qui est adaptée pour recevoir une carotte (non montrée) en cours de coupe.
Disposé de manière amovible à l'intérieur du tube extérieur 3, il y a un ensemble de tube intérieur 6. L'ensemble de tube intérieur 6 comprend une tubulure intérieure 7 adaptée pour recevoir et retenir une carotte en vue d'un transport subséquent jusqu'à la surface. L'ensemble de tube intérieur 6 comprend de plus un sabot de carotte (non montré à la figure 1) disposé à proximité du gueulard 14 en vue de recevoir la carotte et de guider la carotte dans la tubulure intérieure 7. Un ensemble de tube de carottage usuel peut comporter plusieurs autres particularités non montrées ou décrites par référence à la figure 1 et qui ont été omises pour la clarté et la facilité de la compréhension.
Cependant, il doit être compris qu'un ensemble de tube de carottage usuel peut comprendre plusieurs particularités en plus de celles montrées dans l'ensemble 1 de tube de carottage à titre d'exemple, représenté à la figure 1.
Les figures 2 et 3 montrent un trépan de carottage 10 tel que représenté à la figure 1. La figure 2 montre une vue du bas du trépan de carottage 10 tandis que la figure 3 montre une vue en coupe transversale du trépan de carottage 10, prise le long de la ligne III-III de la figure 2.
Comme on peut le voir dans la figure 2, le gueulard 14 s'ouvre dans le corps de trépan 12, à l'endroit de la surface faciale 20. Il y a une pluralité de lames 22 disposées sur la surface faciale 20. Fixés aux lames 22, il y a une pluralité de couteaux 30 agencés dans une combinaison sélectionnée. La combinaison des couteaux 30 montrés superposés en rotation l'un sur l'autre le long du profil du trépan à la figure 3 comprend au moins un couteau de calibre extérieur 32 qui détermine le diamètre du trou de sonde coupé dans la formation. La combinaison des couteaux 30 comprend
<Desc/Clms Page number 9>
également au moins un couteau de calibre intérieur 34 qui détermine le diamètre de la carotte 200 (montrée par des lignes interrompues) en cours de coupe et entrant dans le gueulard 14.
Façonnés sur la surface faciale 20, entre les lames 22 successives, il y des canaux de fluide 24 qui s'étendent radialement et dont la surface faciale peut être enfoncée par rapport aux lames 22. Le corps de trépan 12 comprend de plus un ou plusieurs orifices 40, chaque orifice 40 présentant une sortie d'orifice 46 disposée sur un des canaux de fluide 24 s'étendant radialement (voir la figure 2). Du fluide de forage pour lubrifier les couteaux 30 pendant une opération de carottage est fourni à la surface faciale 20 par l'intermédiaire de la sortie d'orifice 46 de chaque orifice 40. Chaque orifice 40 comprend de plus un passage 42 s'étendant depuis la sortie d'orifice 46, à travers le corps de trépan 12, et se terminant à l'endroit de l'entrée d'orifice 44 (voir la figure 3).
Le corps de trépan 12 comporte une cavité interne 16 sensiblement cylindrique et qui s'étend longitudinalement au travers de celui-ci et qui est délimitée par un diamètre intérieur 18. Le gueulard 14 s'ouvre dans la cavité interne 16 sensiblement cylindrique. S'étendant dans la cavité interne 16 sensiblement cylindrique du corps de trépan 12, il y a la tubulure intérieure 7. Disposée à l'extrémité inférieure de la tubulure intérieure 7, à proximité du gueulard 14, il y a un sabot de carotte 50. La tubulure intérieure 7 et le sabot de carotte 50 sont suspendus de façon à être à même de tourner librement par rapport à le trépan de carottage 10 et au tube extérieur 3.
Le sabot de carotte 50 est configuré et situé pour recevoir la carotte 200 lorsque la carotte 200 traverse le gueulard 14, et pour guider la carotte 200 dans le tubulure intérieure 7.
La carotte 200 est alors retenue dans la tubulure intérieure 7 jusqu'à ce que la carotte 200 soit transportée jusqu'à la surface pour une analyse.
Une zone annulaire supérieure 60 est déterminée par le volume délimité entre le diamètre intérieur 18 du corps de trépan 12 et les diamètres extérieurs 8,52 de la tubulure intérieure 7 et du sabot de carotte 50 respectivement. Le corps de trépan 12 peut comprendre une ou plusieurs nervures 90 qui s'étendent axialement et radialement et qui sont disposées autour de la circonférence du diamètre intérieur 18 du corps de trépan 12. Pendant une opération de carottage, du fluide de forage est mis en circulation sous pression dans la zone annulaire 60 de manière à ce que du fluide de forage puisse s'écouler dans l'entrée d'orifice 44 de chaque orifice 40. Le fluide de forage s'écoule ensuite à travers le passage 42 et est évacué à l'endroit de la sortie d'orifice 46 sur la surface faciale 20.
Comme on le voit le mieux dans la vue en coupe
<Desc/Clms Page number 10>
transversale agrandie de la figure 5, l'entrée d'orifice 44 a une forme 47 qui est cylindrique dans l'ensemble et d'un diamètre constant. L'entrée d'orifice 44 présente de plus un angle d'accès 48 par rapport au trajet d'écoulement s'étendant vers le bas à partir de la zone annulaire supérieure 60. Un angle d'accès typique 48 pour un trépan de forage usuel est d'approximativement 45 degrés.
Un espace annulaire étroit 70 est déterminé par le volume délimité entre le diamètre intérieur 18 du corps de trépan 12 à proximité de son extrémité inférieure et le diamètre extérieur 52 du sabot de carotte 50. L'espace annulaire étroit 70 est essentiellement un prolongement de, et en communication pour fluide avec, la zone annulaire supérieure 60. L'espace annulaire étroit 70 qui peut être le mieux vu dans la vue en coupe transversale agrandie montrée à la figure 7, comprend un profil de délimitation 74 qui détermine la forme du trajet d'écoulement dans l'espace annulaire étroit 70. Disposé à proximité des entrées d'orifice 44, il y a un réservoir annulaire 80 déterminé par une zone délimitée entre le diamètre intérieur 18 adjacent du corps de trépan 12 et le diamètre extérieur 52 du sabot de carotte 50.
Le réservoir annulaire 80 présente une largeur radiale 82 (voir les figures 5 et 7). Du fluide de forage circulant dans la zone annulaire supérieure 60 se rassemble dans le réservoir annulaire 80 où le fluide de forage peut être alimenté dans les entrées d'orifice 44 pour être fourni à la surface faciale 20.
Du fluide de forage circulant dans la zone annulaire supérieure 60 et se rassemblant dans le réservoir annulaire 80 s'écoulera également dans l'espace annulaire étroit 70. Le fluide de forage entrant dans l'espace annulaire étroit 70 l'écoulement divisé - s'écoulera là au travers et quittera l'espace annulaire étroit 70 à travers un interstice annulaire 72 à proximité du gueulard 14. L'écoulement divisé peut entrer en contact, et par cela envahir et contaminer, la carotte 200 lorsque la carotte 200 traverse le gueulard 14 et entre dans le sabot de carotte 50.
Un trépan de carottage usuel peut comporter plusieurs autres particularités non montrées ou décrites dans les figures 2,3, 5 et 7, comme certains aspects de trépans de carottage usuels ont été omis du texte et des figures pour la clarté et la facilité de la compréhension. Cependant, il doit être compris qu'un trépan de carottage usuel peut comprendre plusieurs particularités en plus de celles montrées dans le trépan de carottage 10 à titre d'exemple, représenté dans les figures 2,3 5 et 7. Il doit être compris de plus qu'un trépan de carottage usuel peut ne pas comporter toutes les particularités décrites ici.
Il est montré à la figure 4 un trépan de carottage 100 comportant des
<Desc/Clms Page number 11>
particularités pour commander un écoulement divisé suivant la présente invention. Le trépan de carottage 100 est disposé à l'extrémité d'un tube extérieur (non montré à la figure 4) d'un ensemble de tube de carottage usuel. Le trépan de carottage 100 comprend un corps de trépan 112 présentant une surface faciale 120. Un gueulard 114 configuré pour recevoir une carotte 200 (montrée par des lignes interrompues) en cours de coupe s'ouvre à l'endroit de la surface faciale 120 et s'étend dans le corps de trépan 112.
Une pluralité de lames 122 sont disposées sur la surface faciale 120 et une pluralité de couteaux 130 sont fixés aux lames 122. La pluralité de couteaux 130 sont agencés sur la surface faciale 122 dans une combinaison sélectionnée présentant au moins un couteau de calibre extérieur 132, qui détermine le diamètre du trou de sonde coupé dans la formation, et au moins un couteau de calibre intérieur 134 qui détermine le diamètre de la carotte 200 en cours de coupe. Façonnés sur la surface faciale 120 entre des lames 122 successives, il y a des canaux de fluide 124 qui s'étendent radialement. Les canaux de fluide 124 qui s'étendent radialement peuvent être enfoncés par rapport aux lames 122.
Le corps de trépan 112 comprend de plus une cavité interne 116 sensiblement cylindrique et s'étendant longitudinalement au travers de celui-ci et délimitée par un diamètre intérieur 118. Le gueulard 114 s'ouvre dans la cavité interne 116 sensiblement cylindrique. S'étendant dans la cavité interne 116 sensiblement cylindrique, il y a une tubulure intérieure 7. Disposé à l'extrémité inférieure de la tubulure intérieure 7, à proximité du gueulard 114, il y a un sabot de carotte 50. La tubulure intérieure 7 et le sabot de carotte 50 sont suspendus dans le tube extérieur et tournent librement par rapport à le trépan de carottage 100 et au tube extérieur.
Le sabot de carotte 50 est configuré et situé pour recevoir la carotte 200 lorsque la carotte 200 traverse le gueulard 114, et pour guider la carotte 200 dans la tubulure intérieure 7 dans laquelle la carotte 200 est retenue jusqu'à ce qu'elle soit transportée jusqu'à la surface. Le corps de trépan 112 peut également comprendre une ou plusieurs nervures 190 qui s'étendent axialement et radialement et qui sont disposées autour de la circonférence du diamètre intérieur 118.
Le corps de trépan 112 comprend un ou plusieurs orifices 140, chaque orifice 140 présentant une sortie d'orifice 146, à l'endroit d'un canal de fluide 124 s'étendant radialement, et un passage 142 s'étendant depuis la sortie d'orifice 146, à travers le corps de trépan 112, et se terminant à l'endroit d'une entrée d'orifice 144.
Une zone annulaire supérieure 160 est déterminée par le volume délimité entre le
<Desc/Clms Page number 12>
diamètre intérieur 118 du corps de trépan 112 et les diamètres extérieurs 8,52 de la tubulure intérieure 7 et du sabot de carotte 50 respectivement. Pendant une opération de carottage, du fluide de forage sous pression est mis en circulation dans la zone annulaire supérieure 160. Le fluide de forage circulant dans la zone annulaire supérieure 160 peut s'écouler dans l'entrée d'orifice 144 de chaque orifice 140, à travers le passage 142 et jusqu'à la sortie d'orifice 146 sur la surface faciale 120 où le fluide de forage est évacué.
Un espace annulaire étroit 170 est déterminé par le volume délimité entre le diamètre intérieur 118 à proximité de l'extrémité inférieure du corps de trépan 112 et le diamètre extérieur 52 du sabot de carotte 50. L'espace annulaire étroit 170 est essentiellement un prolongement de la zone annulaire supérieure 160 et est en communication pour fluide avec celle-ci. Disposé à proximité des entrées d'orifice 144, il y a un réservoir annulaire 180. Le réservoir annulaire 180 est déterminé par une zone délimitée entre le diamètre intérieur 118 du corps de trépan 112 à proximité des entrées d'orifice 144 et le diamètre extérieur 52 du sabot de carotte 50.
Du fluide de forage circulant dans la zone annulaire supérieure 160 se rassemble dans le réservoir annulaire 180 dans lequel le fluide de forage est distribué vers les entrées d'orifice 144 en vue d'une fourniture à la surface faciale 120. Le fluide de forage circulant dans la zone annulaire supérieure 160 et qui se rassemble dans le réservoir annulaire 180 s'écoulera également dans l'espace annulaire étroit 170. Le fluide de forage entrant dans l'espace annulaire étroit 170, ou écoulement divisé, s'écoulera à travers l'espace annulaire étroit 170 en en sortira à travers un interstice annulaire 172 à proximité du gueulard 1 14. S'il n'est pas entravé, l'écoulement divisé refoulé de l'espace annulaire étroit 170 à travers l'interstice annulaire 172 peut envahir et contaminer la carotte 200.
Comme cela peut être observé à partir de la description précédente du trépan de carottage 100 suivant la présente invention, le trépan de carottage 100 comporte certaines particularités en commun avec le trépan de carottage 10 usuel montré aux figures 2,3, 5 et 7. Cependant, le trépan de carottage 100 de la présente invention comprend de nombreuses particularités nouvelles qui, séparément ou en combinaison, peuvent être utilisées pour commander l'écoulement divisé dans l'espace annulaire étroit 170, en empêchant par cela une contamination de la carotte 200. Ces particularités nouvelles sont décrites à présent en détails.
En se reportant à la figure 6, l'entrée d'orifice 144 a une forme 147.
Comme noté précédemment en ce qui concerne la figure 5, le trépan de carottage 10
<Desc/Clms Page number 13>
usuel présente une entrée d'orifice 44 qui a une forme cylindrique 47 de diamètre constant dans l'ensemble. Cependant, comme montré à la figure 6, les entrées d'orifice 144 du trépan de carottage 100 ont une forme 147 qui est conique dans l'ensemble. La forme conique 147 présente un diamètre minimum, et en conséquence une aire de section transversale minimale, où une entrée d'orifice 144 se joint à un passage 142. Le diamètre et l'aire de section transversales de la forme conique 147 augmentent progressivement à partir de là, jusqu'à des diamètre et aire de section transversale maximaux où chaque entrée d'orifice 144 s'ouvre dans les réservoir annulaire 180 et espace annulaire étroit 170.
Une forme conique 147 augmente l'aire de section transversale des entrées d'orifice 144 ouvertes pour recevoir un écoulement de fluide en provenance du réservoir annulaire 180.
Ceux qui sont normalement expérimentés sans le métier comprendront que l'espace annulaire étroit 170 s'étend autour de toute la circonférence du corps de trépan 112 et en conséquence a une grande aire de section transversale ouverte pour recevoir un écoulement de fluide en provenance du réservoir annulaire 180. A l'inverse, les entrées d'orifice 144 sont des entrées distinctes, écartées, disposées autour de la circonférence du corps de trépan 112. Ainsi, accroître l'aire de section transversale des entrées d'orifice 144 qui peuvent recevoir l'écoulement de fluide en provenance du réservoir annulaire 180 est d'une importance critique. Des études numériques exécutées à l'aide d'un ordinateur indiquent qu'une forme conique 147 à l'endroit des entrées d'orifice 144 peut diminuer d'approximativement 44 pour cent l'écoulement divisé.
Il sera apprécié par ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier que la forme 147 à l'endroit des entrées d'orifice 144 peut être de n'importe quelle configuration appropriée qui augmente l'aire de section transversale ouverte pour recevoir l'écoulement de fluide en provenance du réservoir annulaire 180, comme à titre d'exemple seulement une forme pyramidale.
Par référence à nouveau à la figure 6, chaque entrée d'orifice 144 présente un angle d'accès 148 par rapport au trajet d'écoulement s'étendant vers le bas à partir de la zone annulaire supérieure 160 et du réservoir annulaire 180. Comme indiqué en ce qui concerne la figure 5, les entrées d'orifice 44 du trépan de carottage 10 usuel ont un angle d'accès 48 d'approximativement 45 degrés. Cependant, comme cela peut être vu à la figure 6, les entrées d'orifice 144 du trépan de carottage 100 ont un angle d'accès 148 qui a été considérablement relâché par comparaison à l'angle d'accès de 45 degrés usuel.
Relâcher l'angle d'accès 148 de façon à ce que les entrées d'orifice 144 soient davantage presque parallèles au trajet d'écoulement
<Desc/Clms Page number 14>
s'étendant vers le bas à partir de la zone annulaire supérieure 160 et du réservoir annulaire 180 procure une transition angulaire faible et douce de l'écoulement dans les entrées d'orifice 144. Des études numériques exécutées à l'aide d'un ordinateur indiquent que le relâchement de l'angle d'accès 148 jusqu'à 30 degrés (en comparaison de l'angle de 45 degrés usuel) réduit d'approximativement 24 pour cent l'écoulement divisé. Ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier comprendront que le corps de trépan 112 et les orifices 140 peuvent être configurés pour procurer un angle d'accès 148 d'approximativement 0 degré ou tout antre angle approprié.
Un angle d'accès dans la plage allant d'approximativement 0 à 44 degrés est estimé être bénéfique suivant l'invention.
En se reportant aux figures 6 et 8, le réservoir annulaire 180 présente une largeur radiale 182. La largeur radiale 182 et en conséquence le volume du réservoir annulaire 180 ont été considérablement accrus en comparaison de la largeur radiale 82 et du volume du réservoir annulaire 80 du trépan de carottage 10 usuel (voir les figures 5 et 7). Des études numériques exécutées à l'aide d'un ordinateur indiquent qu'une augmentation du volume du réservoir annulaire 180 jusqu'à approximativement 70 pour cent (en comparaison du volume du réservoir annulaire 80 du trépan de carottage 10 usuel) procurera dans l'écoulement divisé une réduction approximative de 19 pour cent.
Des accroissements du volume du réservoir annulaire 180 au-delà d'approximativement 70 pour cent peuvent être préjudiciables pour l'intégrité de structure du trépan de carottage 100 puisque l'augmentation correspondante de la largeur radiale 182 peut affaiblir la paroi du corps de trépan 112. Ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier comprendront que la limite supérieure de l'augmentation de volume du réservoir annulaire 180 et de la largeur radiale 182 peut varier en fonction du dessin et de la géométrie du corps de trépan 112 et de la matière à partir de laquelle le corps de trépan 112 est construit.
Le réservoir annulaire 180 est essentiellement un volume de distribution alimentant une pluralité d'orifices. Si le volume de distribution est suffisamment grand, tous les orifices recevront dans l'ensemble approximativement la même quantité d'écoulement de fluide. Cependant, si le volume de distribution est trop petit, peu d'orifices recevront un écoulement de fluide préférentiel par rapport aux autres orifices puisque l'écoulement dans le volume de distribution n'a pas suffisamment de temps pour se réorganiser et se distribuer à travers l'étendue du volume de distribution.
L'exemple d'un volume de distribution alimentant une pluralité d'orifices peut être étendu et appliqué au réservoir annulaire 180 qui alimente les entrées
<Desc/Clms Page number 15>
d'orifice 144 et l'espace annulaire étroit 170. A nouveau, il doit être compris que l'espace annulaire étroit 170 s'étend autour de toute la circonférence du corps de trépan 112, tandis que les entrées d'orifice 144 sont des ouvertures discrètes disposées autour de la circonférence du corps de trépan 112. En augmentant la largeur radiale 182, et en conséquence le volume, du réservoir annulaire 180, le fluide de forage s'écoulant dans le réservoir annulaire 180 à partir de la zone annulaire supérieure 160 a un temps supplémentaire pour se réorganiser et se distribuer à travers tout le volume du réservoir annulaire 180.
Prévoir un plus grand volume à l'endroit du réservoir annulaire 180, et de là plus de temps pour la réorganisation de l'écoulement, permet au fluide de forage de s'écouler de manière circonférentielle autour du réservoir annulaire 180, d'où il peut être alimenté dans les entrées d'orifice 144, à l'opposé de s'écouler axialement à travers le réservoir annulaire 180, au-delà des entrées d'orifice 144 et dans l'espace annulaire étroit 170.
En se reportant à la figure 8, l'espace annulaire étroit 170 a sur l'intérieur inférieur du corps de trépan 112 un profil de délimitation 174 qui détermine la forme du trajet d'écoulement à travers l'espace annulaire étroit 170. L'écoulement divisé peut être réduit en augmentant la résistance à l'écoulement de fluide dans l'espace annulaire étroit 170. Une résistance à l'écoulement de fluide peut être introduite dans l'espace annulaire étroit 170 en modifiant le contour ou la topographie du trajet d'écoulement ou du profil de délimitation 174. A titre d'exemple seulement, comme montré à la figure 8, un ou plusieurs rebords annulaires présentant un bord carré 176 peuvent être introduits dans le profil de délimitation 174 (par comparaison au profil de délimitation 74 progressif usuel montré à la figure 7).
Des études numériques exécutées à l'aide d'un ordinateur indiquent que le façonnage de bords carrés 176 s'étendant de manière annulaire, sur le profil de délimitation 174, donne lieu à une augmentation de 100 pour cent de la perte de charge à travers l'espace annulaire étroit 170 par comparaison à une configuration usuelle. La perte de charge accrue, dans l'espace annulaire étroit 170, peut être directement traduite en une réduction de l'écoulement de fluide à travers l'espace annulaire étroit 170 et, en conséquence, en une réduction de l'écoulement divisé.
D'autres particularités de surface peuvent être introduites dans le profil de délimitation 174 pour augmenter la résistance à l'écoulement de fluide à travers l'espace annulaire étroit 170. Par exemple, un ou plusieurs reliefs annulaires 177 de section transversale rectangulaire peuvent être disposés le long du profil de délimitation 174 comme montré à la figure 9. Comme on le voit à la figure 10, un ou
<Desc/Clms Page number 16>
plusieurs reliefs annulaires 178 de section transversale triangulaire peuvent être disposés sur le profil de délimitation 174. De même, comme montré à la figure 11, un ou plusieurs reliefs annulaires 179 de section transversale circulaire peuvent être disposés sur le profil de délimitation 174. Aux figures 9 à 11, le sens de l'écoulement de fluide est indiqué dans l'ensemble par une flèche 171.
Ces particularités de surface 176,177, 178,179 augmentent la résistance à l'écoulement dans l'espace annulaire étroit 170 en produisant des zones 300 de remise en circulation d'écoulement à côté du courant primaire de fluide de forage s'écoulant à travers l'espace annulaire étroit 170. Ces zones de remise en circulation d'écoulement 300 (également représentées à la figure 8) forcent du fluide en retour dans le courant primaire de fluide, en interrompant l'écoulement du fluide de forage dans le courant primaire et en augmentant la résistance à l'écoulement du fluide.
Des études numériques exécutées à l'aide d'un ordinateur indiquent que : une série de reliefs annulaires 177 de section transversale rectangulaire sur le profil de délimitation 174, tel que montré à la figure 9, procure une augmentation approximative de 10 pour cent de la perte de charge ; un relief annulaire 178 de section transversale triangulaire sur le profil de délimitation 174, tel que montré à la figure 10, procure une augmentation approximative de 32 pour cent de perte de charge ; et une relief annulaire 179 de section transversale circulaire sur le profil de délimitation 174, tel que montré à la figure 11, procure une augmentation approximative de 39 pour cent de perte de charge à travers l'espace annulaire étroit 170.
A nouveau, une perte de charge accrue à travers l'espace annulaire étroit 170 se traduit directement en une réduction de l'écoulement divisé. Toute autre particularité de surface ou topographique appropriée peut être utilisée pour modifier le profil de délimitation 174 suivant l'invention, afin d'introduire une résistance à l'écoulement dans l'espace annulaire étroit 170. Ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier apprécieront que n'importe laquelle des particularités de surface 176,177, 178,179 communiquée au profil de délimitation 174 augmentera individuellement une résistance à l'écoulement de fluide à travers l'espace annulaire étroit 170.
En d'autres mots, une particularité de surface 176,177, 178,179 introduite dans le profil de délimitation 174 suivant la présente invention ne nécessite pas une seconde particularité de surface correspondante pour augmenter la résistance à l'écoulement de fluide dans l'espace annulaire étroit 170, comme cela était suggéré dans l'état antérieur de la technique (voir l'exposé de l'état antérieur de la technique présenté ci-dessus).
Un trépan de carottage 100 suivant la présente invention peut être
<Desc/Clms Page number 17>
fabriqué en utilisant des techniques de fabrication usuelles de trépan de carottage. De l'usinage, du moulage ou d'autres techniques de façonnage de métal appropriées usuelles, ou une quelconque combinaison de ceux-ci, peuvent être utilisés pour façonner les particularités nouvelles de la présente invention, y compris : une entrée d'orifice 144 présentant une forme conique 147 ; entrée d'orifice 144 présentant un angle d'accès 148 relâché ; un réservoir annulaire 180 présentant une largeur radiale 182 accrue ;
et un espace annulaire étroit 170 présentant un profil de délimitation 174 avec un ou plusieurs bords carrés 176 s'étendant de manière annulaire, un ou plusieurs reliefs annulaires 177 de section transversale rectangulaire, un ou plusieurs reliefs annulaires 178 de section transversale triangulaire, ou un ou plusieurs reliefs annulaires 179 de section transversale circulaire. Toutes les particularités nouvelles du trépan de carottage 100 suivant la présente invention font partie intégrante du trépan de carottage 100 lui-même, et aucune modification d'autres composants de l'ensemble de tube de carottage usuel, y compris au sabot de carotte, sont nécessaires.
Il sera apprécié par ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier que la fabrication des particularités nouvelles du trépan de carottage 100 - en ce qui concerne le fonctionnement correct du trépan de carottage 100 qui procure un écoulement divisé réduit pendant une opération de carottage - ne dépend pas de la conservation d'un ajustement serré d'accouplement (ou de contact) entre deux surfaces qui tournent l'une par rapport à l'autre. De plus, ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier apprécieront que les particularités nouvelles du trépan de carottage 100 n'affecteront pas de manière importante la résistance mécanique du trépan de carottage 100 puisque aucune structure faible - comme par exemple des particularités géométriques minces en section transversale - ne sont introduites dans le trépan de carottage 100.
Un trépan de carottage 100 procurant un écoulement divisé réduit ayant été décrit ci-dessus, il sera apprécié par ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier qu'une quelconque combinaison des particularités nouvelles de la présente invention peut être incorporée dans le trépan de carottage 100.
Par exemple, le trépan de carottage 100 peut comporter individuellement une entrée d'orifice 144 avec une forme 147 qui est conique dans l'ensemble (voir la figure 6), une entrée d'orifice 144 présentant un angle d'accès 148 relâché (voir la figure 6), un réservoir annulaire 180 présentant une largeur radiale 182 accrue et un volume accru (voir les figures 6 et 8), un espace annulaire étroit 170 présentant un profil de délimitation 174 avec des particularités de surface 176,177, 178,179 configurées pour accroître une résistance à l'écoulement du fluide (voir les figures 8 à 11 ). En variante, le trépan de
<Desc/Clms Page number 18>
carottage 100 peut avoir une quelconque combinaison appropriée des particularités nouvelles de la présente invention.
A titre d'exemple seulement, une entrée d'orifice 144 présentant une forme 147 qui est conique peut être utilisée en combinaison avec un angle d'accès 148 relâché. De même, une largeur radiale 182 accrue du réservoir annulaire 180 peut être utilisée en combinaison avec n'importe quelle autre des particularités de surface 176,177, 178,179 incorporées dans le profil de délimitation 174 de l'espace annulaire étroit 170.
Des opérations de carottage peuvent être exécutées en utilisant le trépan de carottage 100, suivant la présente invention, de la même manière que lorsque conduites en utilisant un trépan de carottage 10 usuel. Comme les aspects nouveaux du trépan de carottage 100 ne nécessitent que la fabrication, dans le corps de trépan 112, de particularités géométriques robustes sélectionnées et comme de plus la réduction de l'écoulement divisé obtenue dans la présente invention ne repose pas sur les techniques usuelles (conserver une restriction d'écoulement constituée d'un ajustement de contact correspondant entre deux surfaces tournant l'une par rapport à l'autre ou conserver une restriction d'écoulement constituée par un interstice d'écoulement formé entre une lèvre annulaire tournant par rapport à une rainure annulaire correspondante),
le trépan de carottage 100 sera robuste et à même de résister à des environnements mécaniques et chimiques rudes subis pendant des opérations de carottage, sans diminution sensible du rendement. De même, comme la présente invention ne nécessite que la construction de particularités géométriques à l'intérieur du corps de trépan 112, le trépan de carottage 100 peut être adapté pour une utilisation avec des ensembles de tube de carottage usuels et avec des sabots de carotte usuels. Ainsi, le trépan de carottage 100 qui a les particularités de commander l'écoulement divisé permet à un opérateur de forage d'obtenir conséquemment des échantillons carottés de haute qualité avec une invasion minimale de fluide, en utilisant des procédés et équipements de carottage existants, usuels.
La description détaillée ci-dessus et les dessins annexés ne sont qu'illustratifs et sont non restrictifs. Ils ont été fournis en premier lieu pour une compréhension claire et complète de la présente invention, et aucune limitation non nécessaire ne doit en être comprise. De nombreuses additions, suppressions et modifications à la forme de réalisation préférée, ainsi que des agencements en variante, peuvent être imaginés par ceux qui sont expérimentés dans le métier, sans sortir de l'esprit de la présente invention et de la portée des revendications annexées.