Train de tiges de forage La présente invention a pour objet un train de tiges de forage destiné, par exemple, au forage au rotary ou au turboforage de puits de pétrole, de gaz, etc.
On sait que dans les trains de tiges tradi tionnels, on lâche directement ou indirecte ment, par exemple par l'intermédiaire d'un coussin fluide, une fraction du poids de la co lonne sur l'outil. Or, toutes les colonnes tradi tionnelles flambent et, en outre, souffrent des vibrations longitudinales qui les fatiguent pré maturément.
Le flambage du train provient, d'une part, de la compression du train engen drée par la transmission aux tiges de la ré action sur l'outil et, d'autre part, de la con trainte de compression engendrée par la pous sée verticale que le fluide de forage exerce de bas en haut sur la colonne ; cette poussée croît linéairement avec la profondeur du puits alors que la charge critique de flambage décroît ra pidement avec le carré de cette même profon deur.
L'invention a pour but d'éviter ces incon vénients.
Le train de tiges de forage faisant l'objet de l'invention et dont la plus basse tige sous pression forme un cylindre dans lequel est à même de coulisser un organe relié rigidement à l'outil, ledit organe étant traversé d'au moins un canal livrant passage à la boue de forage sous pression, est caractérisé en ce qu'il pré- sente un tronçon s'étendant jusqu'à l'extrémité inférieure du train et dont l'élancement est in férieur à l'élancement critique de flambage, la paroi interne dudit tronçon étant limitée en haut-par une surface de compensation telle qu'une partie au moins de sa projection hori zontale soit extérieure à l'intersection du plan horizontal de projection avec la paroi interne du cylindre,
que cette partie soit adjacente à cette intersection et que la superficie de cette partie soit suffisante pour que la pression qui règne à l'intérieur des tiges et s'exerce de haut en bas sur cette partie équilibre approximati vement la poussée hydrostatique exercée de bas en haut sur le train de tiges, en dessous de la surface de compensation du fait du fluide de forage qui entoure le train.
Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple, quelques formes d'exécution du train de tiges faisant l'objet de l'invention.
Les formes d'exécution décrites sont desti nées au forage au rotary, c'est pourquoi on a désigné en général par piston l'organe coulis sant, mais il est entendu que l'application au turboforage est la même, le piston étant alors simplement à désigner par le terme de stator de turbine coulissante.
La fig. 1 représente une première forme d'exécution ne comportant qu'une seule sur face de compensation. La fig. 2 montre une coupe selon XX' de la fig. 1.
La fig. 3 représente le tronçon inférieur d'une deuxième forme d'exécution comportant de multiples surfaces de compensation dispo sées dans des manchons à gorge.
La fig. 4 représente un tronçon médian et en même temps montre une autre construc tion des manchons. La fig. 5 représente le bas d'un train de turboforage.
La fig. 6 est une variante de la fig. 1 dans laquelle l'unique surface de compensation est taillée non plus. dans un manchon mais dans la tige elle-même.
La fig. 7 montre schématiquement les con trôles et commandes de descente continue ou discontinue, manuelle ou automatique du train de tiges.
Le train de tiges représenté se compose, par exemple, à sa partie supérieure, d'une colonne traditionnelle reliée par un raccorde ment, évasé vers le bas, à une série de tiges de grande section d'écoulement de fluide et que, pour la facilité de cette description, on désignera par le chapelet ; la tige inférieure du chapelet en forme de cylindre contient l'or gane coulissant ; au-dessus ou au-dessous du cylindre, la paroi intérieure de cette tige est cannelée ou rainurée, c'est-à-dire, par exemple, munie de rails ou de rainures qui coopèrent avec des verrous ou des galets dont les sup ports sont implantés dans le piston ou, dans le cas du turboforage, dans le stator de la tur bine.
Ainsi, l'organe coulissant n'a pas de vi tesse angulaire relative à la colonne ; il est entraîné en rotation par celle-ci, ses galets glissent ou roulent le long des rails ou rai nures.
En cas de turboforage sans rotation de la colonne, le mouvement absolu de l'organe de coulissement est vertical; en cas de forage au rotary ou de turboforage avec lente rotation de la colonne, ledit mouvement est hélicoïdal.
Si l'on se réfère aux fig. 1 et 2, on voit en 1 une colonne traditionnelle de forage au ro- tary ;e n 2un de diamètre épaulement extérieur s'évasant D,D..,, vers (intérieur le bas, d. qui <I>)
</I> assure la liaison de la colonne traditionnelle au chapelet 3 des tubes de diamètre D, <I>></I> D3 (intérieur d, > d,;) ; en 4 on voit la surface de compensation du manchon qui surmonte immédiatement le cylindre 5 de diamètre in térieur d1 <I> < </I> d2 et de diamètre extérieur<I>Dl.</I> 6 est le piston dont les joints sont en 18 et dont la jambe 7 est solidaire de la queue 8 de l'outil 9 ; le piston est traversé par le canal 10 d'entrée 11 et dont 12 est la représentation symbolique de l'ajutage de sortie ;
en fait, il y a autant d'ajutages que l'outil comporte de cônes. P,, et To sont les composantes de la ré action de la formation sur l'outil.
13 sont des rails implantés dans le cylin dre limités par les butées circulaires 14 et 15 ; 16 sont des galets dont les axes 17 sont logés dans des alésages radiaux de la jambe du pis ton; une bague 19 permet le coulissement de la jambe.
On comprend aisément que, d'une part, le piston, donc l'outil, sont entraînés en rotation par le cylindre au moyen des rails et galets ; les axes 17 sont dimensionnés de manière à céder au cisaillement en cas d'un couple de torsion excessif.
Dans la zone de l'outil, et du fait de l'ori fice 20, la pression sur la face inférieure du piston se compose de la pression hydrostati que<I>pl</I> accrue de la pression p', nécessaire pour remonter les débris. Sur la face supérieure du piston s'exerce à peu de chose près, car le piston n'est pas long, sensiblement la même pression hydrostatique<I>pl</I> accrue de la pression p, qui est celle, moins les pertes de charge, délivrée par les pompes de surface. La chute de pression<I>A =</I> p,-p'. est conditionnée no tamment par l'ajutage 12 ou les ajutages s'il y en a plusieurs dans le cas de tricônes, par exemple.
Sous l'effet de cette différence de pression A, le piston appuie sur la formation ; c'est cette force qui remplace le traditionnel poids sur l'outil ; par exemple, pour A = 100 at, si la section effective du piston est 200 cm2, cette force sera de 20 tonnes.
Dans le cas représenté par la fig. 1, la projection horizontale de la surface annulaire 4 de compensation est donnée par
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tandis que la surface de poussée est
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On voit que le diamètre<B>Dl</B> extérieur du cy lindre ne joue pas de rôle ; on pourrait, par exemple, et sans rien changer aux conditions, le faire aussi grand que D2 en conférant de la sorte au cylindre une épaisseur considérable et une grande rigidité ;
en alésant un tel cylin dre épais au diamètre d., sur une faible lon gueur à sa partie supérieure, on créerait la surface annulaire de compensation dans la paroi même du cylindre et c'est ce qui est représenté fig. 6. Dans ce cas, le manchon est classique ; la surface annulaire peut évi demment être plane et horizontale ou conique, droite ou courbe.
Si l'on fait abstraction du poids du cylin dre, lequel poids n'est pas important et agit d'ailleurs dans un sens favorable en réduisant la grandeur de la force de compensation
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on trouve immédiatement que, pour que la section de la colonne soit neutralisée immé diatement au-dessus de l'évasement, il suffit d'égaler F à la poussée
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laquelle équation de condition permet un di- mensionnement de la surface annulaire de compensation qui préserve la colonne de la compression, et à fortiori du flambage, au- dessus de la section neutralisée ;
quant au cy lindre, il est assurément soumis à la compres sion, mais comme il est très court, quelques mètres au plus, son élancement est très faible et il est loin de pouvoir flamber.
On peut évidemment conserver le diamètre D2 (intérieur d2) jusqu'au sommet de la co lonne, ou bien encore à la distance L mètres de son extrémité on peut raccorder le chapelet à une colonne de petit diamètre par un épau lement 2. Pour que, néanmoins, la colonne reste intégralement suspendue et ne repose pas en 2 sur le fluide, et par là sur le piston et l'outil, il suffit que la section immédiatement au-dessus de l'épaulement 2 ne soit pas com primée et soit tendue ou pour le moins neu tralisée.
Au niveau de l'épaulement, la pression in térieure est p2 -f- p,, et la pression extérieure est p2 -!- p", où p., est la pression hydrostati que ;
la section considérée est ainsi soumise de haut en bas, d'une part, au poids cL si c est le poids d'un mètre de la colonne et, d'autre part, à la pression extérieure p= -I- p"5 qui, s'exerçant de haut en bas sur la section
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développe une force
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et de bas en haut, à la force
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provenant de la pression intérieure.
La résultante est nulle et la section en question est neutralisée si
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laquelle équation de condition permet la dé termination de la cote L qui détermine la lon gueur L du chapelet. Ainsi, la longueur totale des masses-tiges est notablement plus petite que dans les trains de tiges traditionnels.
En résumé, dans les versions représentées aux fig. 1 et 6, il n'y a qu'une seule surface de compensation (en 4), un seul tronçon com primé (entre 4 et la tranche inférieure du train) très court et ne flambant pas, tout le restant du train étant sous tension. Dans les versions représentées aux fig. 3, 4 et 5, il y a de multiples surfaces de compen sation le long du chapelet, de multiples tron çons comprimés entre deux surfaces de com pensation successives ou entre la tranche infé rieure et la première surface de compensation.
Ces tronçons sont très courts et ne flambent pas. L'intérêt des formes d'exécution représen tées aux fig. 3, 4 et 5 est que la section de pistonnage n'est pas réduite par rapport à celle des tiges du chapelet.
Si l'on considère la fig. 3 qui représente le tronçon inférieur d'un chapelet à piston, on revoit le piston 6 relié à l'outil 9, le trou d7équi- librage 20, en 5 la tige qui contient le piston et qui est renflée en 21 ; le manchon au dia mètre extérieur D4 est en deux parties, 22 et 23, le boîtier inférieur 22 contenant la gorge 26 au diamètre intérieur maximum d4. La tige 25 est reliée par son renflement 24 au bdtier supérieur 23. .
La partie supérieure de cette tige 25 est reliée à la suivante par un manchon identique à celui illustré en 22/23 muni aussi d'une gorge, et ainsi de suite jusqu'à la cote d'équi libre qui détermine, comme on l'a déjà vu, la longueur du chapelet.
Cette forme d'exécution comprend plu sieurs surfaces de compensation constituées par les anneaux circulaires formant les bases des gorges des manchons ; la grandeur d'une telle surface est
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et la pression qui s'y exerce est<I>pl</I> + p5 <I>;</I> comme .on l'a déjà vu dans l'étude de la ver sion précédente, on détermine d4 de manière à équilibrer la poussée ; alors, au droit de la gorge, la section est neutralisée.
Entre deux sections neutralisées successi ves, le tronçon de train est comprimé mais très court et ne peut donc flamber. Il n'est pas nécessaire que tous les manchons soient à gorge pourvu que le tronçon compris entre deux manchons à gorge soit assez court pour ne pas flamber. On a dessiné en pointillé le gabarit du dia mètre<I>Dl =</I> D;, et, dans l'exemple considéré, le diamètre d4 s'étend jusqu'à ce gabarit, mais il peut parfaitement le dépasser.
Dans la fig. 4, on voit un tronçon médian du chapelet et aussi le manchon 30 de raccor dement du chapelet à la colonne traditionnelle 31.
Le tronçon médian est représenté par les tiges 27 et 29 reliées par le manchon double 28 et 33 ; le manchon 28 a une gorge 32 dont la surface de compensation est en 58.
Si l'on considère la fig. 5 qui représente le bas d'un train de turboforage, on voit en 59 la turbine à étages multiples qui actionne l'outil 9 ; en 18, on voit les segments de coulisse ment du stator de la turbine ; 14 et 15 sont les butées de course des galets 16 logés radiale- ment dans des bras du stator ; en 13 on voit les rails ; 70 est un manchon dont la gorge est 71, tandis que 72 est la surface de compen sation.
Il n'est pas indispensable que le cylindre 5 descende plus bas que le point limite atteint dans sa course par le segment inférieur 18, mais la turbine, c'est-à-dire essentiellement le rotor et les aubes directrices, peut se prolon ger, avec un diamètre accru, bien en dessous de la tige la plus basse ; elle peut même se trouver entièrement en dessous ; il suffit que coulisse dans le cylindre un prolongement de l'enveloppe fixe (stator) du rotor.
On sait que dans une turbine se développe une poussée axiale qui remplace avantageusement le poids sur l'outil ; mais dans les turbines de forage traditionnelles, cette poussée n'était que par tiellement utilisée contre la formation du fait qu'elle était empêchée de s'exercer pleinement par la résistance de la colonne ; dans le train représenté, au contraire, cette poussée axiale dynamique est pleinement utilisée contre la for mation puisque axialement la turbine est libre par rapport à la colonne.
La fi-. 4 peut aussi bien être superposée au bas du train à piston selon la fig. 3 qu'au bas du train à turbine selon la fig. 5.
La longueur L du chapelet est déterminée dans les formes d'exécution des fig. 3, 4 et 5, comme on l'a déjà expliqué à propos de la fig. 1.
5i l'on se reporte à la fig. 7, on voit le puits foré par l'outil 9 ; on voit en 5 le tronçon inférieur du train de tiges, en 35 la tête d'in jection, en 34 la table de rotary ; 10 est le piston, 16 un des galets dont la course est li mitée par les butées supérieure 14 et inférieure 15.
Un dynamomètre 36, par exemple à huile, est inséré entre le câble 37 et la tête d'injection 35 ; le câble est enroulé sur un treuil 60 por tant un cadran 61 sur lequel on peut lire le déroulement et qu'on appelle pour cette raison une jauge de profondeur; le zéro de ce cadran est déplaçable et doit notamment être remis sous l'index chaque fois que l'on ajoute des tiges.
Le dynamomètre est relié par une con duite 38 à un manomètre-indicateur 39 ; ce manomètre porte des contacts 41 et 42 grâce auxquels il est possible d'exciter l'un ou l'au tre des relais 43 et 44, de préférence à relâ chement différé, et d'actionner des contacts 45 ou 46 qui commandent des signalisations et des servomécanismes ; le manomètre 39 est aussi à zéro déplaçable.
En 53, on voit une motopompe, dont la commande est symbolisée par le levier 52 et qui envoie de la boue sous pression par la conduite 49 dans la tête d'injection ; le mano mètre 48 permet en tout temps la mesure de la pression ; 40, 50 et 51 sont des vannes.
Dans le cadre 90 de la fig. 7, on a disposé un exemple de la machinerie dans lequel un moteur électrique 65, commandé par un rhéostat 67, actionne au moyen d'une courroie 63 le disque d'entraînement d'un dispositif 64 d'embrayage réversible entraînant un plateau relié à l'arbre 62 du treuil ; l'embrayage est commandé lui-même par un contrôleur 66 ; l'arbre 62 du treuil peut ainsi être commandé dans un sens ou dans l'autre à la vitesse que l'on veut.
Cet arbre 62 est freiné par des sabots 68 et 69 qui sont doublement commandés : d'une part, par l'intermédiaire d'un piston 55 se dé plaçant dans un cylindre 54 et dont la pression est réglée par un régulateur 47 à commande électrique, contrôlé par les relais 43 et 44 et, d'autre part, par un piston 57 coulissant dans un cylindre 56 relié par la conduite 84 au dyna momètre 36.
En outre, un cylindre 80, dont le piston 81 est muni d'une vis 83 commandée par le volant 82, est branché aussi sur la conduite 84.
La poussée sur le piston 57 varie comme le poids de la colonne ; on conçoit donc que, par un dimensionnement approprié du piston et des leviers, les sabots 68 et 69 fournissent sur l'arbre du treuil un couple de freinage qui équilibre, par exemple, 80 % du couple mo- teur engendré par le poids de la colonne, tan dis que la poussée sur le piston 55, alimenté par la pompe,
est réglée de manière à équili- brer, par exemple, 10 % du couple moteur. Dès lors, la colonne descend à une certaine vi tesse v2 appropriée à la vitesse de pénétration v1 de l'outil dans la formation ;
si la poussée du piston 55 augmente du fait d'une action télécommandée sur le régulateur 47, la colonne descend à une vitesse v'2 < v2 et si au con traire cette poussée diminue, la colonne des cend à une vitesse v"2 > v2.
Un deuxième procédé de réglage de la vi tesse v2 consiste à agir manuellement ou par servomécanisme sur le volant 82 ; un accrois sement du volume de la chambre de compres sion anéantit la pression dans le cylindre 56 et desserre le frein. On agit, par exemple, sur ce volant 82 lorsque, pour remonter aisément la colonne, on veut desserrer les sabots.
Un troisième procédé de réglage de la vi tesse v., consiste à entraîner l'arbre 62 par le moteur et l'embrayage.
Les fonctionnements semi-automatique et automatique sont, par exemple, les suivants Tout d'abord on détermine la vitesse v1 de perforation et à cet effet on repère la position exacte de l'outil au temps t1 en laissant des cendre la colonne jusqu'à ce que le manomètre indicateur 39 marque une décharge et l'on place alors l'index de la jauge au zéro.
Au temps t2 on repère à nouveau de la même façon la position exacte de l'outil et on lit directe ment sur la jauge le déplacement effectué pen- dant le temps t, <I>-</I> t1, ce qui donne la vitesse v1 de perforation en fonction de la pression réglable de la pompe 53.
Par l'un des procédés décrits, on peut im poser à la colonne une vitesse de descente ar bitrairement choisie ; on lui donne précisément une vitesse v. = v1 et dès lors, tant que la moyenne de v1 ne change pas il n'y a pas de mouvement relatif du piston par rapport au cylindre et le forage se poursuit sans aucune intervention, c'est-à-dire qu'il se déroule auto matiquement durant toute cette période.
Dès qu'intervient une modification de v1 soit dans un sens soit dans l'autre, c'est-à-dire dès qu'une vitesse relative naît entre le piston et le cylin dre, le galet se rapproche d'une des butées et, au moment de leur rencontre, l'indicateur 39 donne un signal ; on modifie alors la vitesse v., de descente selon cette indication ; c'est la descente semi-autômatique.
Dans le régime pleinement automatique, le signal de l'indicateur qui ferme le circuit des contacts 41 ou 42 actionne la soupape appro priée du régulateur 47, ce quia pour effet d'augmenter ou de diminuer la pression dans le cylindre 54 et de changer le couple de frei nage, c'est-à-dire de régulariser la vitesse v; dans le sens désiré. Dès que ce résultat est atteint, le galet se distance des butées et un instant plus tard les contacts 41 ou 42 s'ou vrent, la pression dans le cylindre 54 restant stabilisée à sa nouvelle valeur.
On conçoit qu'il existe de multiples va riantes au dispositif dessiné sans changer pour cela l'obédience du sabot aux rectifications subordonnées à la vitesse de descente, trans mises par un piston; par exemple, les deux pistons 55 et 57 peuvent être montés l'un der rière l'autre avec une tige commune, ce qui simplifie les leviers ; même le piston 57 peut être supprimé, mais alors la position du régu lateur doit être modifiée à chaque adjonction de tiges.