CA1120028A - Dispositif inverseur du sens de circulation d'un fluide au niveau d'un outil de forage - Google Patents

Abstract

Dispositif pour inverser le sens de circulation d'un fluide sous pression alimentant un outil de forage par l'intermédiaire d'une colonne de forage. Il comporte un corps interposé entre la colonne de forage et l'outil, un alésage central ménagé dans ce corps et ayant une première extrémité qui communique directement avec la colonne de forage, un canal ménagé dans le corps et débouchant dans l'alésage central qui comporte aussi un organe de distribution. Cet organe de distribution a une première position dans laquelle le fluide sous pression est évacué exclusivement par la seconde extrémité de l'alésage central pour assurer un premier mode d'alimentation de l'outil et une seconde position dans laquelle le fluide sous pression est évacué exclusivement par le canal pour assurer un second mode d'alimentation de l'outil. L'organe précité de distribution est dépla çable sous l'action de la circulation du fluide sous pression et adapté à passer de l'une à l'autre position par une succession alternée de mises en circulation et d'interruptions de circulation du fluide.

Description

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La présente invention concern~ un dispositif inverseur du sens de circulation d'un fluide d'irrigation au niveau d'un outil de forage tel que, parexemple, mais non exclusivement, un dispositif de forage creant une depression au niveau du front de taille lors du forage des sols.

Un tel dispositif, qui est décrit dans le brevet français n ~ 567 ~62, comporte un corps d'outil9 au moins une plage d'attaque du sol por-tée par ce corps d'outil et delimitant un front de taille et des moyens pour creer dans une zone du corps du dispositif une dépression par rapport à la pression exis-tant au niveau de la plage d'attaque. Cette dernière est reliée à la zone de de-pression par au moins un canal de remontee des deblais tandis qu'un canal d'eva-cuation du fluide de forage, traversant la zone de depression, débouche dans l'es-pace annulaire entre la colonne de forage et la paroi du puits foré par au moinsun orifice situé en dehors de la plage d'attaque, le débit de fluide de fora~e entre l'orifice de ce canal d'évacuation et la plage d'attaque étant limité.

De cette façon, on obtient, en fonctionnement normal, une irriga-tion centripète du front de taille, c'est-à-dire dirigée de la paroi vers le centre du puits foré.

L'expérience a néanmoins montré qu'il est parfois nécessaire d'ob-tenir momentanement une irrigation centrifuge du front de taille, c'est-à-dire dirigee du centre vers la paroi du puits. Cela est, par exemple, necessaire lorsque le forage traverse une couche contenant un fluide tel qu'un hydrocarbure, à une pression supérieure à celle regnant sur le front de taille, ou encore lorsqu'on constate une perte de fluide d'irrigation qui pénètre dans les formations geo-logiques.

On connait des dispositifs tels que ceux décrits dans les brevets américain 2 805 043 et français 2 071 262 dans lesquels le déplacement d'une pièce mobile découvre des orifices usines dans la paroi de la colonne de forage,par lesquels le fluide de forage est partiellement ou totalement devie. Ces dispositifs reduisent ou arrêtent l'irrigation de l'outill mais ne permettent pas l'inversion du sens d'ecoulement du fluide de forage au niveau de l'outil.

Des moyens d'inversion du sens de circulation du fluide de forage sont connus de l'art antérieur. Un mode de realisation de ces moyens est illustre à la fi~ure 3 du certificat d'addition n 2 092 646 au brevet français n 1 567 862.
Ces moyens utilisent en general un obturateur tel qu'une bille introduite dans la colonne de forage pour obturer un premier orifice et provoquer sous l'action du fluide de forage le déplacement d'une pièce mobile qui demasque un second ori-fice a travers lequel circule le fluide de forage pour irriguer l'outil avec un sens d'écoulement inversé.

~ i l'on désire retablir la circulation initiale du fluide de forage, il faut obl;gatoirement retirer cet obturateur en utilisant un outil de repêchage approprie, ou en remontant le dispositif de forage en surface. Ces operations sont de toute façon longues a mettre en oeuvre.

Le dispositif selon l'invention permet de changer rapidement le sens de circulation du fluide de forage et de passer 31ternativement d'une irrigationcentrifuge a une irrigation centripete et vice-versa chaque fois que cela s'avere necessaire au cours du forage.

L'invention pourra être bien comprise et tous ses avantages apparai-tront clairement a la lecture de la description qui suit illustree par les figures annexees parmi lesquelles :

- les figures 1 A a 1 D representent en coupe le dispositif selon l'invention utilise dans un equipement de forage des sols, - la figure 2 montre le profil du mecanisme limitant les deplacements axiaux de l'element tubulaire et - les figures 3 A a 3 J illustrent le fonctionnement du dispositif selon l'in-vention.

Les figures 1 A à 1 D montrent schematiquement et en coupe verti-

2~ cale, des sections successives du dispositif selon l'invention designe dans sonensemble par la reference 1. A sa partie superieure (fig. 1 A), le dispositif 1 est fixe a l'extremite libre d'une colonne de forage 2 par tout moyen connu, tel qu'un filetage 3. A sa partie inferieure (fig. 1 D), le dispositif inverseur1 est prolonge par un organe de tout type connu 4 capable de creer une depres-sion au niveau du front de taille lors du forage des sols, en fonctionnant commeindique plus haut. A l'extremite inferieure de l'organe 4 est fixe un outil de forage 5 ayant un canal central 6.

L'outil ne faisant pas partie de la presente invention n'a pas ete represente. Seule sa partie superieure se raccordant par filetage a l'organe 4 est visible sur la figure 1 D.

L'organe 4 qui ne fait pas non plus partie de l'invention a ete schematise, mais il est evident que cet organe est compose d'autant de pieces que necessaire pour permettre sa realisation.

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Brièvement, cet organe comporte un canal central 7 du type Venturi, communiLiuant directement avec l'alésage central 6 de l'outil. A l'entrée du venturi, une buse 8 produit un jet de fluide dirigé dans le sens opposé au sens de progression de l'outil. La coopération du venturi 7 et de la buse 8 cree une depression, transmise, par le canal 6, sur le front de taille de l'outil alimenté
en fluide de forage par l'espace annulaire delimite entre l'organe 4 et la paroidu puits. A la partie superieure de l'organe 4, un separateur 9 laisse passer lapartie centrale de l'ecoulement du fluide sortant du tube venturi 7. Cette partie de l'ecoulement est recyclee par un canal 10 (en pointille sur la fig. 1 C~ et irrigue à nouveau l'outil 5 comme indique plus haut. La fraction restante du fluiue, chargee en deblais de ~orage, est evacuee vers la sur~ace par un canal 11 debouchant dans l'espace annulaire à une certaine distance au dessus de l'en-droit où debouche le canal 10.

La buse 8 est alimentée en fluide à travers un espace annulaire 12 ménagé dans le corps de l'organe 4.

Le dispositif selon l'invention comprend un corps tubulaire qui, pour des raisons de fabrication, est en plusieurs parties. Dans l'axe du corps 13 - 14, est suspendue une tige 15 solidaire du corps 13 - 14 par des bras-supports 16. Dans l'alésage du corps peut se déplacer un piston 17 pourvu de bagues d'étanchéité 18 et ayant un alésage central traverse de manière etanche par la tige 15. Le piston 17 est prolonge par un element tubulaire 19 dont le diametre interne est superieur au diamètre de la t;ge 15 et dont le diametre externe delimite sur une portion de l'alesage du corps 13 un espace annulaire 20.

L'alésage interne de l'élement tubulaire 19 a une portion 21 de diamètre reduit tandis que l'extremite libre de la tige 15 porte un obturateur 22 de cette portion 21. L'obturateur est constitué, par exemple, par une pièce cylindrique pouvant pénétrer dans la portion 21. Ainsi, cette dernière et l'ob-turateur 22 constituent des moyens d'obturation de l'alésage interne de l'élément tubulaire 19.

Au dessus des moyens d'obturation~ l'element tubulaire 19 est muni d'au moins un orifice 23 tandis qu'une cavite annulaire 24 a éte menagée dans le corps 14 et communique directement avec au moins un conduit 25 debouchant à sa partie inferieure dans l'espace annulaire 12. L'element tubulaire 19 est lie en rotation a~ec le corps 14, par exemple par 19intermediaire d'un ensemble rainure 26-claYette 27, l'un etant porte par l'elément tubulaire 19 et l'autre par le corps 14, ou encore par un ensemble de cannelures.

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La tête du p;ston 17 est traversée par au moins un conduit calibré
28 qui met en communication l'alesage interne du corps 13 et celui de l'élement tubulaire 19.

Dans l'espace annulaire 20 est place un mecanisme limitant les dé-placements axiaux de l'élément tubulaire 19 par rapport au corps 13 - 14, ainsiqu'un ressort de compression 29 prenant appui sur le piston 17, d'une part et sur un épaulement 30 solidaire du corps 13, d'autre part.

Le mécanisme limitant les deplacements axiaux de l'élément tubulaire 19 comporte un doigt de guidage 33 porté par l'élément tubulaire ~9 et deux ba~ues profilées 31 et 32 ayant chacune une position axiale fixe par rapport au corps 14 avec lequel elles ne sont pas liées en rotationO Ces bagues sont solidaires entre elles, par exemple par l'intermédiaire d'un manchon 34 sur lequel elles sont fixées de maniere connue en soi.

La figure 2 montre le profil de ces bagues. La bague supérieure 31 a un profil en dents de scie dont un flanc est parallele a l'axe de la bague et l'autre incliné. Ces dents 35 oht une hauteur identique et sont en nombre pair. Bien que quatre dents seulement ont été représentées9 ce nombre n'est pas limitatif.

La bague inférieure 32 a le même nombre de dents 36 identiques mais séparées par groupes de deux, par des rainures 37 de même hauteur et paralleles a l'axe des bagues. Les flancs inclinés des dents 36 sont opposés aux flancs inclinés des dents 35.

Les dents des deux bagues sont décalées, les profils des dents coopérant ensemble pour constituer une came ou chemin de guidage de sorte que le doigt de guida~e 33 puisse se déplacer dans l'espace laissé libre.

Dans le cas d'utilisation du dispositif selon l';nvention illustré
par les figures, le séparateur 9 de l'organe 4 est solidaire de l'extrémité libre de l'élément tubulaire 19 qui porte également un orifice 3~ dont l'utilité pa-raitra dans l'explication qui suit du fonctionnement de l'ensemble.

3~ Lorsque la circulation du fluide de forage est arrêtée, le ressort 29 maintient le piston 17 dans la position représentee en trait interro~pu sur la figure 1 A. Correlativement, le doigt de guidage 33 est dans la position haute representee sur la fi~ure 3 A, maintenu entre deux dents de la bague 31.
On alimente alors liensemble en fluide de forage sous pression qui circule selonles fleches F1 (fig. 1 A). La perte de charge creee par le canal calibre 2~ se ~2~2~3 traduit par une différence de pression ~ P de part et d'autre de la tête du piston qui se déplace axialement vers le bas de la figure 1 A contre l'action du ressort 29. Le doigt de guidage 33 atteint tout d'abord la position représen-tée sur la figure 3 B ou il est en contact avec le flanc incliné de la dent de la bague 32. En poursuivan~ son deplacement axial, le doigt 33 provoque une rotation R1 des deux bagues 31 et 32 et le doigt de guidage atteint sa position représentée sur la figure 3 C. Dans son déplacement, le piston 17 a entraîné
l'élément tubulaire 19 de sorte que l'orifice 23 a découvert l'espace annulaire24 tandis que la portion 21 se place au niveau de l'obturateur 22 et que l'ori-~ice 38 démasque le canal 10 (fig. 1 C). Le dispositif est alors dans la position représentée en trait continu sur les figures 1 A à 1 D. Le fluide de forage circu-le comme indique,par les fleches F1 et F2 a travers le canal calibré 28, dans l'alesage de l'element tubulaire 19, puis a travers 7'orifice 239 l'espace annu-laire 24 et dans le canal 25 qui alimente alors l'or~ane 4 par l'espace annulaire 12. Le jet qui s'echappe de la buse ~ eree une dépression dans le canal central6 de l'outil, assurant ainsi la remontée du fluide de forage chargé en déblais à travers ce canal. La partie du fluide de forage charge en deblais qui traversele venturi remonte vers la surface en empruntant le canal 11 (fig. 1 C) tandis que le fluide d'irrigati~n de l'outil traverse le separateur 9 puis l'orifice 38et le canal 10 avant d'assurer l'irrigation centripete de l'outil. En surface, la pression dans la colonne de forage a alors une premiere valeur P1.

Lorsqu'on desire inverser le sens de l'ecoulement du fluide de _ .
forage au niveau de l'outil, on opere de la façon suivante. On interrompt l'ali-mentation en fluide de forage et le piston 17 qui n'est alors soumis qu'a l'action du ressort remonte axialement.

Lors de ce deplacement axial, le doigt de ~uidage atteint tout d'abord le flanc incline d'une dent de la bague 31 (figure 3 D). En poursuivant son deplacement, il provoque une rotation R2 des bagues 31 et 32. Le doigt de guidage 33 atteint sa position-limite superieure (fig. 3 E) et le piston 17 est de nouveaù dans sa position initiale. Le retablissement de l'alimentation en fluide de forage deplace a nouveau le piston vers le bas de la figure. Le doigt de guidage 33 en atteignant la position de la figure 3 F entraine une rotation R3 des bagues 31 et 32 tfigure 3 ~) avant de pénétrer au fond de la rainure 37 (figure 3 H~.

Dans cette position, l~élément tubulaire l9 masque totalement l'es-pace annulaire 24 ainsi que les ori.fices d'entrée des canaux 10 et 11 (positionreprésentée en trait mixte sur la figure 1 ~). Simultanément, la portion 21 d'alésage réduit.est dans la position représentée en trait mixte sur la figu-re 1 ~ de sorte que l'obturateur 22 est totalement dégagé de cette portion 21.

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Après avoir traversé le canal.calibré 28, le fluide de forage circule dans l'élément tubulaire 19 comme indiqué par la flèche en ~rait mixte F3 et alimente directement le canal central 5 de l'outil à travers le canal 7 de l'organe 4, produisant ainsi une irrigation centrifuge de l'outil. Le fluide chargé en déblais remonte en surface à travers l'espace annulaire délimité par la paroi du puits et la colonne de forage. Dans ces conditions de fonctionne-mentS la pression dans la colonne de forage a une seconde valeur P~ différente de la première Pl.

En arrêtant à nouveau la circulation du fiuide de ~orage, on obtient la remontée du piston 17 sous l'action du ressort 29, le doigt de guidage 33 atteignant tout d'abord la position illustrée par la figure 3 I avant de pro-voquer une nouvelle rotation des bagues 33 et 34 (figure 3 J)~

Le dispositif est alors à nouveau dans sa position initiale à partir de laquelle, par une succession de périodes d'alimentation en fluide de forage sous press~n suivie d'une interruption d'alimentation~ on peut inverser le s~ns de circulation du ~luide de forage au niveau de l'outil. Ainsi, le piston 17, l'élément tubulaire 19 et les moyens d'obturation 21-22 constituent un organe de distribution déplacable dans l'al~sage central du corps du disposi~
tif sous l'action de la circulation du fluide sous pression et ayant une pre-miere position dans laquelle le fluide est évacué exclusivement par l'alésage central pour assurer un premier mode d'alimentation de l'outil et une seconde position dans laquelle le fluide est évacué exclusivernent par le ca-nal 25 pour assurer un second mode d'alimentation de l'outil, cet organe de distribution étant capable de passer alternativement de l'une à l'autre posi-tion par une succession alternée de mises en circulation et d'interruptions de la circulation du ~luide.

Dans ce qui précède, on a montré, sans que cela soit limitatif, l'u-~ilisation du dispositif associé à un organe 4 créant une dépression. Ainsi, on pourra également utiliser le dispositif selon 11invention pour alimenter directement le canal central d'un outil de forage classique par l'intermédi-aire de l'alésage de l'élément tubulaire et obtenir une irrigation centrifu~e du front de taille ou alimenter l'outil par l'espace annulaire entourant cet outil en faisant déboucher le canal 25 sur la surface extérieure du corps 14 de sorte que ce canal communique avec l'espace annulaire délimité entre la colonne de forage et la paroi du puits.

D'~utres modifications pourront 8tre apportées san9 pour autant sor-tir du c~dre de k. présente invention, Par exemple, les bagues délimitant le chemin~ou came de guidage du doigt 33 pourront être immobiles par rapport au corps du dispositif, le doigt de guidage entrainant alors l'élément tubulaire 19 en rotation, Les moyens d~obturation de l'alésage de l~élément tubulaire pourront également ~tre constitués d'un clapet et d'un siège de clapet, le premier étant solidaire de la tige 15 et le second de l'élément 19.

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Claims (3)

R E V E N D I C A T I O N S

1. - Dispositif pour inverser le sens de circulation d'un fluide sous pression alimentant un outil de forage par l'intermédiaire d'une colonne de forage compor-tant un corps interpose entre la colonne de forage et l'outil, un alésage central ménagé dans ledit corps et ayant une première extrémité qui communique directement avec la colonne de forage, un canal ménagé dans ledit corps et débouchant dans ledit alésage central, un organe de distribution placé dans ledit alésage central, cet organe de distribution ayant une première position dans laquelle le fluide sous pression est évacué exclusivement par la seconde extrémité dudit alésage cen-tral pour assurer un premier mode d'alimentation de l'outil et une seconde posi-tion dans laquelle le fluide sous pression est évacué exclusivement par ledit ca-nal pour assurer un second mode d'alimentation de l'outil, caractérisé en ce queledit organe de distribution est déplaçable sous l'action de la circulation du fluide sous pression et adapté à passer de l'une à l'autre positions par une succession alternée de mises en circulation et d'interruptions de circulation dufluide.

2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe de distribution comporte une tête de piston coulissant de façon étanche, dans ledit alésage central, ce piston étant relié audit corps par des moyens élas-tiques, un élément tubulaire prolongeant ledit piston du côté où ledit corps est raccordé à l'outil, un canal calibré ménagé dans la tête du piston mettant en communication ledit alésage central avec l'alésage interne dudit élément tubulaire, un orifice ménagé dans la paroi dudit élément tubulaire, un organe d'obturation de l'extrémité libre dudit élément tubulaire et un mécanisme li-mitant les déplacements axiaux dudit élément tubulaire de sorte que,dans une première position, ledit orifice communique avec ledit canal tandis que ledit organe d'obturation obture totalement l'extrémité libre dudit élément tubulaire et que, dans une seconde position, ledit organe d'obturation dégage totalement l'extrémité libre dudit élément tubulaire tandis que ledit orifice ne communi-que plus avec ledit canal.

3. - Dispositif selon la revendication 29 caractérisé en ce que ledit mécanis-me comporte un doigt de guidage et une came qui coopèrent pour limiter les dépla-cements axiaux de l'organe de distribution, l'un des deux étant solidaire dudit corps et l'autre dudit organe de distribution.