<Desc/Clms Page number 1>
ÉLÉMENT DE COUPE, TRÉPAN DE FORAGE, SYSTÈME ET PROCÉDÉ
DE FORAGE DE FORMATIONS PLASTIQUES MOLLES DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne en général le forage de formations souterraines avec des trépans rotatifs et plus spécifiquement des éléments de coupe superabrasifs tout particulièrement appropriés pour le forage de formations plastiques, des trépans rotatifs équipés de tels éléments, un système de forage utilisant de tels trépans et un procédé de forage utilisant de tels trépans.
TECHNIQUE ANTÉRIEURE
EMI1.1
( Les éléments de coupe superabrasifs ont été utilisés pendant de nombreuses décades pour le forage de formations souterraines, en
EMI1.2
particulier pour la production d'hydrocarbures. On a d'abord utilisé des u < dtftd (..) fjdt. ur'ëf, f (td < du cuur ue vtnc uern < ere années, es ujamancs
EMI1.3
synthétiques, polycristallins, appelés en général agglomérés compacts de diamant polycristallin ou PDC sont devenus le matériau superabrasif de choix pour le forage de la plupart des formations.
Un élément de coupe PDC typique selon la technique comporte une"table"de diamant polycristallin en forme de disque, comportant une face de coupe circulaire pratiquement plate et formée au cours d'un procédé à température et à pression extrêmement élevées sur un substrat de support préformé de carbure de tungstène (WC) cimenté ou fritté. Une face de coupe PDC a traditionnellement été rodée pour lui conférer un fini lisse. Les éléments de coupe PDC décrits sont fixés à des trépans à"lames"rotatifs utilisés pour cisailler le matériau d'une formation rocheuse en cours de forage par suite du contact des éléments de coupe avec la formation en présence d'une rotation et d'un poids appliqué au trépan (WOB).
Les trépans équipés d'éléments de coupe PDC se sont certes avérés très efficaces pour le découpage de certaines formations, mais d'autres formations, en particulier certaines de celles manquant de plasticité, ont toutefois présenté un obstacle notable à un forage efficace par un trépan à lames PDC par suite de la tendance des déblais de ces formations à adhérer aux faces de coupe des éléments de coupe. Les éléments de coupe PDC cisaillent par exemple sans problème certaines roches argileuses, produisant des déblais de la formation ou"copeaux"pouvant être éliminés de la face du trépan par l'intermédiaire de moyens hydrauliques
<Desc/Clms Page number 2>
conventionnels pour trépans.
Lors de l'accroissement des contraintes de pression en fonction de la profondeur du puits de forage, la plasticité d'une formation est toutefois accrue, exigeant différents moyens mécaniques de coupe du trépan pour assurer un découpage efficace. De telles formations difficiles englobent à titre d'exemple des roches argileuses soumises à des pressions élevées ou profondes, des mudstones, des siltites et certaines roches calcaires. Le problème est aggravé par suite de l'accroissement de la densité du fluide du puits de forage.
Les roches argileuses et d'autres formations malléables présentent une plus grande tendance à l'écoulement en présence de contraintes, s'adaptant aux surfaces qu'elles contactent et adhérant plus fortement à celles-ci. La contrainte de cisaillement nécessaire pour déplacer les
EMI2.1
déblais de la face de coupe d'un élément de coupe est donc accrue notablement. On estime en fait que la contrainte de cisaillement nécessaire
EMI2.2
pour déplacer des déblais de la formation d'une face de coupe peut être -''-. '-. ttt, 4\ . ) t) t < ( \t-. < i) tt'. i < fftC : < iL. < < t'-tiiiCf < J'-JC-U'iiJ
EMI2.3
de la formation.
Les déblais de la formation adhérant à la face de coupe peuvent ainsi entraîner une masse relativement stationnaire de matériau de la formation, accumulée immédiatement devant l'arête de coupe au niveau d'une périphérie de la face de coupe. Cette masse comprend une agglomération dense et solidifiée de déblais de la formation, entraînée par un compactage facilité par le cisaillement et une hydratation du matériau de la formation.
Au lieu d'un contact entre la face de coupe et la formation non coupée, comprenant un point ou une ligne (en fonction du degré d'usure de l'élément de coupe) au niveau de l'arête de coupe périphérique de la face de coupe, la masse des déblais, appelée parfois arête d'accumulation (BUE), présente une forme géométrique fortement épointée ou émoussée à la formation, entraînant une zone de contact beaucoup plus grande avec le matériau non découpé de la formation, comprimant le matériau de la formation et accroissant la contrainte effective de la formation en cours de découpage.
La présence de cette masse déplace en outre l'action de coupe de l'avant de l'arête de coupe, modifiant le mécanisme de défaillance et l'emplacement du phénomène de coupe, de sorte que le découpage de la formation est effectivement réalisé par la masse même, fortement épointée, plutôt que par l'arête de coupe. La présence d'une BUE gêne ainsi la performance de l'élément de coupe et réduit le taux de pénétration (ROP) du trépan sur lequel il est utilisé.
<Desc/Clms Page number 3>
Au cours des dernières années, on a mis au point une solution à succès sur le plan commercial du problème concernant l'adhésion des copeaux à la face de coupe. Les brevets US 5447208 et 5653300, cédés au cessionnaire de la présente invention et incorporés dans la présente description à titre de référence, décrivent et revendiquent l'utilisation d'éléments de coupe superabrasifs (appelés aussi parfois"superdurs") présentant des faces de coupe ou des parties de face de coupe polies ou usinées d'une autre manière, ou ayant un degré de lissé extrêmement élevé, englobant un fini de type spéculaire.
De tels éléments de coupe ont montré un pouvoir de résistance superlatif à l'adhésion des déblais des formations plastiques ci-dessus à la face de coupe, empêchant ainsi la formation d'une BUE comprenant une masse de de la formation située devant l'arête de coupe, et facilitant le découpage en un point adjacent à l'arête de coupe même.
EMI3.1
Le problème concernant l'adhésion des déblais n'est certes pas U tff i J Cti C OttC ! L, fUjJ U CJbthtC ; jUC L. CtC" i J uiCf L CH ctUUC CtfLtC
EMI3.2
d'une réduction substantielle (de l'ordre de 50% ou plus en comparaison avec les éléments de coupe rodés conventionnels) du coefficient de friction de la partie de la face de coupe présentant le fini extrêmement lisse cidessus. Cette réduction notable de la friction entre la face de coupe et la formation, et la réduction conséquente de l'adhésion des déblais, réduisent la contrainte de cisaillement du déplacement des déblais de la formation à travers la face de coupe ou la résistance à ce déplacement, et donc les forces normales ainsi que les forces tangentielles nécessaires pour une profondeur spécifiée de coupe dans une formation donnée.
Le raidissement par compression de la roche, observé souvent devant un élément de coupe par suite de la présence d'une BUE est en outre évité. On a constaté avec surprise que la réduction de la friction permet d'empêcher le phénomène de l'adhésion des déblais à la face de coupe d'un élément de coupe par suite de la présence d'une différence de pression positive sur les déblais de la formation, entraînée par la présence d'une pression du puits de forage sur la face externe ou la face exposée des déblais supérieure à la pression ambiante dans la formation existant sur le côté des déblais de la formation, situé près de la face de coupe à travers laquelle ils se déplacent.
Lors d'une utilisation sur le terrain, les éléments de coupe à face de coupe PDC polie se sont également avérés notablement supérieurs en ce qui concerne le taux de pénétration (ROP),
<Desc/Clms Page number 4>
même dans des formations non plastiques, ainsi qu'en ce qui concerne la durabilité et la résistance à l'usure au cours du procédé de forage.
Une expérience sur le terrain avec des éléments de coupe polis a toutefois aussi révélé une nouvelle difficulté lors du forage de certaines formations plastiques, même en cas d'exécution de l'action de coupe cidessus près de l'arête de coupe effective de l'élément de coupe, plutôt que devant l'arête de coupe. Cette action de coupe par l'arête entraîne de longs déblais en forme de ruban, comme dans le cas d'une découpe réalisée en déplaçant un couteau à travers un pain de savon.
Dans certaines formations, en particulier du type de roches argileuses englobant un volume important d'argiles réactives, les déblais provenant des différents éléments de coupe sur la face de coupe d'un trépan typique à plusieurs éléments de coupe PDC peuvent s'agglomérer rapidement en une masse semi-
EMI4.1
solide devant littéralement être extrudée à travers les fentes à rebuts sur
EMI4.2
la région de front de taille du trépan, mettant ainsi en échec les moyens itj uujLjucj utj b pan Ct-et j tt tH t. Ufte c ; ttutt ùut < t Cf uiv : < t dëf. >
EMI4.3
l'espace annulaire du puits de forage vers la surface.
Cet engorgement de la fente à rebuts, accompagné d'une agglomération des déblais, entraîne pour sa part une accumulation de déblais ultérieurs au-dessus de l'agglomération sur la face du trépan (selon l'orientation du trépan au cours du forage), jusqu'à ce que le trépan produit une masse de déblais agglomérés recouvrant la face du trépan. A ce stade, le trépan est"bourré" et cesse le forage lorsque les éléments de coupe ne coupent plus la formation, mais glissent sur la masse agglomérée des déblais.
Des brise-copeaux ont été utilisés pour fragmenter les déblais longs en forme de ruban en des segments plus courts. La conception hydraulique et le débit d'écoulement du fluide de forage des trépans selon la technique ont en outre été améliorés pour déplacer les déblais de façon plus efficace vers les fentes à rebuts et à travers celles-ci. Dans de nombreux cas, les trépans à lames à éléments de coupe PDC polis peuvent toutefois toujours puiser littéralement leur pouvoir de dégager les déblais de la formation.
La vitesse de rotation et le poids appliqué sur le trépan peuvent ainsi être limités de façon peu appropriée en vue de réduire le volume des déblais de la formation à un niveau adapté au pouvoir du trépan à éliminer les déblais de la face du trépan et à les faire remonter à travers l'espace annulaire. Le ROP est ainsi réduit, le temps de forage pour forer un intervalle à travers les formations, pour lesquelles les trépans à lames à éléments de coupe PDC polis sont pour le reste adaptés de façon idéale,
<Desc/Clms Page number 5>
étant accru. En d'autres termes, dans ces situations, le ROP est une fonction de la vitesse d'extrusion des déblais agglomérés à travers les fentes à rebuts du trépan.
L'utilisation requise de fluides de forage à base d'eau, plutôt qu'à base d'huile, ou à base d'une émulsion inversée eau-dans-huile dans des emplacements de forage à environnement sensible ou soumis à d'autres règlements stricts, risque aussi de limiter notablement le ROP des trépans à lames équipés de PDC, en particulier dans des roches argileuses plus profondes. De nombreux fluides de forage ou même l'ensemble des fluides de forage à base d'eau n'arrivent pas à empêcher ou même à retarder sensiblement le problème de l'agglomération des déblais cité ci-dessus, attribuable à la présence d'argiles réactives dans ces formations.
Les argiles réactives peuvent en général être définies comme des argiles
EMI5.1
changeant leur structure atomique ou leurs propriétés physiques en présence
EMI5.2
d'un système de fluide de forage à base d'eau, entraînant le problème ciu u u t fC ; ctUCf i lCL t < uc tCiJJctf.
EMI5.3
Selon les connaissances conventionnelles concernant la conception des éléments de coupe PDC, l'arête de coupe d'un tel élément de coupe (englobant des éléments de coupe dits polis) doit en outre être biseautée ou chanfreinée à un degré notable, typiquement à au moins 0,25 mm (0,010 pouce), en regardant sur la face et perpendiculairement à la face de coupe, en général à un angle de 45 par rapport à l'axe longitudinal du dispositif de coupe.
Ce chanfreinage ou biseautage s'est avéré efficace dans des formations plus denses ou plus dures, ou des amas, en vue de réduire l'écaillage et d'empêcher le risque d'une cassure de la table superabrasive avant que l'élément de coupe ne commence à former un méplat d'usure le long de la ligne de contact avec la formation, étendant la ligne vers une surface de contact transversale à la direction du déplacement de l'élément de coupe, lors de son déplacement accompagné d'une rotation et d'un mouvement descendant du trépan à lames sur lequel il est fixé. Les chanfreins ou les biseaux suffisamment importants pour réduire l'endommagement des tables abrasives entraînent toutefois aussi la présentation d'un élément de coupe relativement émoussé à la formation.
Ce type de forme géométrique de l'arête de coupe accroît effectivement la contrainte requise pour faire dégaillir la roche de la formation opposée au chanfrein, en particulier dans les roches à défaillance plastique.
L'efficacité de coupe de l'élément de coupe PDC n'est ainsi pas optimisée, même avec une face de coupe polie, extrêmement lisse selon le brevet'208.
<Desc/Clms Page number 6>
Jusqu'à présent, la technique antérieure n'a donc pas réussi ! fournir un moyen et un procédé permettant de profiter pleinement des éléments de coupe à face de coupe polie dans des formations pour lesquelles ils sont tout particulièrement appropriés. i DESCRIPTION DE L'INVENTION La présente invention fournit un élément de coupe d'une configuration particulièrement appropriée pour le forage de formations à défaillance plastique, appelée parfois dans la technique formations"molles", englobant celles comportant des"cordons"plus durs les traversant, ainsi que des trépans à lames rotatifs équipés de tels éléments, en combinaison avec un fluide de forage composé selon les exigences, en vue de réduire notablement la tendance d'une formation plastique donnée à une agglomération en une masse solide, plutôt que de former des déblais séparés.
Lors de l'utilisation d'un tel fluide de forage, l'invention peut aussi être
EMI6.1
caractérisée comme comorenant on orocédé de for,, ami n ;)'m vtpmc'p forage.
Dans sa forme la plus simple, la présente invention comprend un élément de coupe présentant une face de coupe superabrasive s'étendant dans deux dimensions, transversalement à la direction du déplacement prévu de l'élément de coupe au cours du forage, au moins une partie de la face de coupe comportant une surface lisse à friction réduite et comportant une arête de coupe au niveau d'une périphérie externe de la partie de la face de coupe lisse, comprenant une arête tranchante, plutôt qu'une arête chanfreinée ou biseautée. La surface à friction réduite peut avoir un fini poli, pratiquement spéculaire de matériau superabrasif ou peut comporter un revêtement.
Dans le cadre de la présente description, le terme"arête tranchante"englobe une limite entre la face de coupe et un côté adjacent de la table superabrasive, ne présentant ni chanfrein ni biseau visible à l'oeil nu, mais pouvant être usinée par brunissage, rodage à la pierre ou d'autres techniques connues, en une arête fine, arrondie, ayant un rayon non supérieur à quelques centaines de millimètres ou en une arête plate ou multi-plate (chanfreinée ou multi-chanfreinée) d'une largeur radiale non supérieure à plusieurs centaines de millimètres au niveau de la périphérie de la face de coupe.
Un tel élément poli, superabrasif, à arête tranchante peut être utilisé dans les formations plastiques ci-dessus sans risque substantiel d'un endommagement, et présente une efficacité de coupe largement supérieure à celle des éléments de coupe polis, chanfreinés conventionnels, permettant un taux de pénétration accru en présence de
<Desc/Clms Page number 7>
l'application d'un poids donné au trépan ainsi qu'une vitesse de rotation accrue du train de tiges.
Dans les formations comportant des cordons durs, l'efficacité de coupe accrue permet une vitesse de rotation et un WOB réduits, tout en maintenant un ROP acceptable. Pour traiter les formations comportant un volume particulièrement élevé de cordons, ou pour forer un intervalle étendu à travers une formation chargée de cordons, l'invention peut aussi être réalisée par un trépan de forage comportant des éléments de coupe conventionnels, c. à. d. chanfreinés, de préférence polis, en combinaison avec des éléments de coupe polis tranchants. Les éléments de coupe tranchants et à arête conventionnelle sont agencés de sorte que chaque type assure une couverture sur tous les rayons sur la face du trépan, les éléments de coupe à arête conventionnelle assurant une protection des éléments à arête tranchante lors du contact avec des cordons.
Au cours du forage, les éléments de coupe à arête tranchante assurent une profondeur
EMI7.1
uc -uupt ; uui., j pfulufUE uans les l-ormaclonb moi les, tanuis que les cordons ou du matériau plus dur de la formation rencontrés au cours du forage réduisant la DOC, assurant une protection des arêtes de coupe tranchantes en assumant un contact accru avec la formation sur les arêtes de coupe chanfreinées.
En ce qui concerne les formations plastiques englobant un volume d'argiles réactives suffisant pour entraîner le problème ci-dessus de l'agglomération des déblais, les inventeurs ont découvert que les caractéristiques du fluide de forage à base d'eau peuvent être modifiées avantageusement en vue d'une adaptation à l'efficacité de coupe améliorée des éléments de coupe polis à arête tranchante. Ces fluides de forage, utilisés avec de tels éléments de coupe peuvent plus spécifiquement être améliorés par des additifs, de sorte que les micro-fractures ou les microdéchirures dans les déblais, exposant normalement une grande aire de surface de matériau d'argile réactive et entraînant ainsi une agglomération des déblais sont exposées par contre à un environnement de fluide de forage,"bloquant"ou stabilisant les argiles réactives.
Les déblais gardent ainsi leur forme en ruban et peuvent effectivement être fragmentés en des segments plus courts (leur intégrité étant de même pratiquement maintenue), par l'intermédiaire d'un écoulement hydraulique à partir de buses sur la face du trépan ou par suite du contact avec des structures brise-copeaux sur l'élément de coupe, ou peuvent être transférés d'une autre manière par le trépan. Les segments de copeaux peuvent ensuite être
<Desc/Clms Page number 8>
éliminés à travers les fentes à rebuts du trépan, réduisant notablement li tendance à une agglomération sur le trépan.
L'application de telles modifications du fluide de forage destiné à empêcher un bourrage instantané du trépan par suite de l'agglomération de déblais permet ainsi i l'élimination d'un volume largement accru de déblais à travers les fente : à rebuts, permettant à l'opérateur d'exploiter pleinement l'efficacité dE coupe améliorée présentée par les éléments de coupe polis à arête tranchante.
Il peut en outre être indiqué d'utiliser des limiteurs de la DOC, ) bien connus dans la technique, pour contrôler le taux de pénétration d'un trépan équipé d'éléments de coupe à arête tranchante selon la présente invention, le ROP étant maintenu dans un intervalle raisonnable, n'entraînant pas la production d'un volume de déblais de la formation supérieur au pouvoir du trépan à dégager ceux-ci à travers les fentes à i rebuts.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une élévation latérale d'un élément de coupe à arête de coupe chanfreinée selon la technique antérieure, présentant une face de coupe polie, lors du procédé de découpage d'une formation plastique d'une roche ayant une tendance à une agglomération des déblais en présence d'un fluide de forage à base d'eau conventionnel ;
EMI8.1
la figure 1A est une vue agrandie de la zone de contact entre l'arête de coupe chanfreinée de l'élément de coupe de la figure 1 et la formation plastique ; la figure 1B est une vue agrandie de la zone de contact entre l'arête de coupe chanfreinée de l'élément de coupe de la figure 1 et la formation plastique, montrant la manière de diffusion de la contrainte appliquée par la surface chanfreinée et l'exécution d'une coupe épaisse de la formation ;
la figure 2 est une élévation latérale d'un élément de coupe à arête 1 tranchante présentant une face de coupe polie, lors du procédé de découpage de la même formation plastique que dans la figure 1, en présence d'un fluide de forage à base d'eau modifié selon la présente invention ; la figure 2A est une vue agrandie de la zone de contact entre l'arête de coupe tranchante de l'élément de coupe de la figure 2 et la formatior ) plastique ;
<Desc/Clms Page number 9>
la figure 28 est une vue agrandie de la zone de contact entre l'arête de coupe tranchante de l'élément de coupe de la figure 2, montrant la manière de localisation de la contrainte appliquée par l'arête tranchante et l'exécution d'une coupe fine de la formation ;
la figure 3 est une élévation latérale schématique d'un train de tiges agencé dans un puits de forage, avec un trépan de forage englobant des éléments de coupe à arête tranchante selon la présente invention, assurant le forage à travers une formation plastique en présence d'un fluide de forage amélioré par un additif stabilisant l'argile ;
et la figure 4 est une vue de deux lames d'un trépan à lames rotatif selon l'invention, destiné au découpage de formations plastiques chargées de cordons, les lames étant tournées en-dehors de leurs orientations radiales normales dans une relation mutuellement parallèle perpendiculaire à la page, en vue d'une plus grande clarté, la lame d'attaque supportant des éléments de coude chanfreinés conventionnels comoortant des faces de coupe polies, la lame arrière supportant les éléments de coupe polis à arête de coupe tranchante.
MEILLEUR MODE D'EXÉCUTION DE L'INVENTION
La figure 1 des dessins illustre un élément de coupe PDC chanfreiné selon la technique antérieure 10 comprenant un substrat de carbure de tungstène supportant une masse ou une table superabrasive comportant une face de coupe polie 14, lors du découpage de matériau de la surface de la formation plastique 12. On voit clairement que la présence de la face de coupe polie exclue le développement d'une arête à accumulation du matériau de la formation devant la face de coupe 14, selon les instructions des brevets'208 et'300. Des déblais allongés en forme de ruban 16 sont plutôt produits, se déplaçant librement à travers la face de coupe polie 14.
On voit toutefois aussi que l'arête de coupe 18 de l'élément de coupe 10 peut comprendre et comprend en réalité un chanfrein présentant une surface arquée semi-annulaire 20 (voir figure lA), s'appuyant contre la formation, appliquant une contrainte de compression substantielle à celleci et accroissant effectivement la force ou la résistance de la formation en cours de découpage. Comme indiqué ci-dessus, une taille de chanfrein conventionnelle typique aurait une largeur radiale minimale d'environ 0,25 mm (0, 010 pouce) et serait orientée à un angle de 45 , des chanfreins beaucoup plus grands et des angles différents de 450 étant toutefois aussi connus dans la technique.
Pour une face de coupe carrée ou en forme de
<Desc/Clms Page number 10>
pierre tombale, la surface 20 comprendrait un méplat angulaire ou un chanfrein à extension pratiquement linéaire, tout en comprenant malgré tout une zone de contact substantielle. La zone de contact ou de chanfrein 20 établit en outre une région à contrainte relativement diffusée en comparaison avec la concentration des contraintes localisée voulue fournie par les éléments de coupe à arête tranchante selon l'invention, comme décrit ci-dessous.
Comme représenté dans la figure IB, le cisaillement du matériau de la formation se fait certes au niveau de l'arête 42 proche de la paroi latérale 44 de la masse ou de la table superabrasive, mais la contrainte appliquée à la formation par l'élément de coupe 10 est distribuée ou diffusée au-delà de la zone de la roche opposée à l'aire de surface du chanfrein 20.
Pour réaliser une profondeur de coupe voulue, il peut donc être nécessaire d'accroître le WOB à un niveau inacceptable, et en vue d'atteindre un ROP voulu, il peut être nécessaire aussi d'accroître
EMI10.1
de façon inacceptable le couple appliqué sur le train de tiges pour avoir ....... - - - -'.........'" - -"1 - - -. - - -- - - """" - ... -'........... "" --....., -'...... ......, j""" par exemple de moteurs Moineau ou de turbines, ceci étant conventionnel dans les assemblages de fond directionnels ou dirigeables, un WOB accru peut entraîner un blocage du moteur, le couple requis pouvant ne pas être atteint par suite des restrictions de la puissance de sortie associées à de tels moteurs.
La figure 1 illustre en outre la tendance des déblais de la formation en forme de ruban 16 à une agglomération en une masse semi-solide 30, compromettant les moyens hydrauliques du trépan et obstruant la fente à rebuts 32, entraînant un bourrage du trépan, en présence d'un fluide de forage à base d'eau conventionnel 22, même après la fragmentation en des segments plus petits 16a par suite du contact avec un brise-copeaux 24 et un écoulement dirigé du fluide de forage à partir d'une buse 26 sur la face du trépan 28.
La figure 2 des dessins illustre l'élément de coupe PDC 110 selon la présente invention (comprenant de nouveau une masse superabrasive supportée par un substrat en carbure de tungstène), lors du découpage d'un fin ruban 16 de matériau de la surface de la même formation plastique 12. La face de coupe 114 de l'élément de coupe 110 est polie de la même manière que celle de l'élément de coupe 10, selon les instructions du brevet'208. L'arête de coupe 118 de l'élément de coupe 110 (voir figure 2A) comprend toutefois une"arête"véritable, tranchante, ou une ligne de contact 120 ne présentant pas de surface bidimensionnelle pouvant être discernée
<Desc/Clms Page number 11>
facilement à l'oeil nu.
Comme indiqué ci-dessus, l'arête de coupe 118 peut être arrondie par brunissage ou usinée d'une autre manière en un rayon extrêmement réduit (illustré dans des dimensions exagérément grandes dans la figure 2A) non supérieur à environ 0,127 mm (0,005 pouce), de préférence de l'ordre de 0,051 à 0,076 mm (0,002 à 0,003 pouce), pour éliminer ou réduire le risque d'une nucléation ou la formation de sites de défauts le long de l'arête même. L'arête de coupe 118 peut aussi présenter un chanfrein ou un biseau extrêmement petit, plat (illustré dans des dimensions exagérément grandes dans la figure 2B), d'une largeur non supérieure à environ 0,127 mm (0,005 pouce) de préférence d'une largeur de l'ordre de 0,051 à 0,076 mm (0,002 à 0,003 pouce), en regardant sur la face et perpendiculairement à la face de coupe 114.
Des méplats ou des chanfreins multiples peuvent aussi être utilisés au niveau de l'arête de coupe, dans le cadre de l'intervalle des dimensions indiquées. Pour des
EMI11.1
objectifs pratiques, comme représenté dans la figure 2B, l'arête de coupe appliquée à la formation au niveau du point de contact, dans certains cas
EMI11.2
d'un ordre de grandeur, focalisant ou localisant la contrainte sur la formation et entraînant une défaillance de celle-ci dans une zone réduite limitée. Le WOB requis et le couple appliqué pour maintenir un DOC donné et la vitesse de rotation sont par suite réduits de façon mesurable.
La figure 2 montre aussi le maintien de l'intégrité des rubans des déblais de la formation 16 en présence du fluide de forage amélioré stabilisant l'argile 122, même après la fragmentation des rubans 16 en des segments plus petits 16a par suite du contact avec un brise-copeaux 24 et un écoulement dirigé du fluide de forage à partir de la buse 26 sur la face du trépan 28. La fente à rebuts 32 peut ainsi transférer librement les segments de déblais 16a entraînés par le fluide de forage 122.
Dans le cadre de la présente description, le terme"superabrasif" englobe, uniquement à titre d'exemple, des agglomérés compacts de diamant polycristallin, des agglomérés compacts de diamant polycristallin thermiquement stables, des agglomérés compacts de nitrure de bore cubique, des films diamantés et des éléments de coupe englobant un ou plusieurs des matériaux ci-dessus. On estime actuellement que le meilleur mode d'exécution pratique de l'invention utilise des agglomérés compacts de diamant polycristallin.
Dans le cadre de la présente description, le terme "poli", décrivant ou caractérisant la rugosité de surface d'une face de coupe ou d'une autre
<Desc/Clms Page number 12>
surface d'une table superabrasive d'un élément de coupe englobe en outre des surfaces ayant une rugosité de surface RMS d'environ 10 pouce ou moins, de préférence de l'ordre de t pouce ou moins, dans les cas les plus préférés de l'ordre de 2JL ou moins, comme décrit dans les brevets'208 et '300 cités ci-dessus. Comme décrit également dans les brevets'208 et'300, il suffit en outre de polir ou d'usiner d'une autre manière une seule partie d'une face de coupe adjacente à l'arête de coupe pour lui conférer le lissé requis en vue de l'exploitation des avantages de l'invention.
Il est en outre indiqué, sans que cela ne soit nécessaire, que le côté de l'élément de coupe vers l'arrière de l'arête de coupe soit aussi poli en vue d'assurer une plus grande durabilité, pour réduire la friction par glissement contre la formation et pour faciliter le maintien de l'arête de coupe tranchante de l'élément de coupe pendant une durée prolongée.
En plus de l'utilisation des faces de coupe polies ci-dessus sur les éléments de coupe selon l'invention, on envisage aussi un revêtement ou une
EMI12.1
ttpft < tcn.) un ue urrdt-e ue (. uupe par aes maeerdux pour ecaoltr oes surfaces à friction réduite. Il n'existe certes pas de matériaux spécifiques actuellement préférés, mais les revêtements céramiques, métalliques et polymères sont considérés comme utiles, tout comme les résines synthétiques à base de fluor, comprenant les matériaux du type Teflons, pouvant servir à imprégner le matériau superabrasif.
Dans la description ci-dessous des caractéristiques d'une arête de coupe selon l'invention, le terme"tranchant"est utilisé pour identifier une arête de coupe comprenant pour l'essentiel une ligne de contact définie entre une partie périphérique de la face de coupe et un côté adjacent de l'élément de coupe orienté vers la formation. Le terme ligne de contact" est destiné à distinguer les éléments de coupe selon la technique antérieure, supportant une face de coupe séparée d'un côté de l'élément de coupe par au moins un chanfrein ou biseau intermédiaire ayant une orientation angulaire par rapport à la formation en cours de découpage différente de celle de la face de coupe et du côté, et d'une largeur suffisante pour présenter une surface de support contre la formation.
En ce qui concerne un angle inclus relatif préféré entre la face de coupe et le côté adjacent orienté vers la formation, on estime qu'une arête de coupe tranchante selon l'invention peut présenter un angle inclus a (voir figure 2A), le long de la ligne de contact définie entre la périphérie de la face de coupe et le côté adjacent orienté vers la
<Desc/Clms Page number 13>
formation, compris dans l'intervalle allant d'une valeur inférieure à environ 90 à une valeur non supérieure à environ 1150.
En ce qui concerne une inclinaison vers l'avant et vers l'arrière préférée de la face de coupe (appelée en général"inclinaison arrière"), on estime que la face de coupe adjacente à l'arête de coupe peut avoir une inclinaison neutre ou de 00, une inclinaison positive (inclinée avec son arête de coupe vers l'avant et en direction de la formation) ou une légère inclinaison négative (inclinée vers l'arrière) non supérieure à environ 30 . En référence aux figures 2,2A et 2B, on comprendra que les éléments de coupe selon l'invention 10 sont de préférence inclinées vers l'arrière de façon negative minimale, de sorte à établir un plan de cisaillement plus vertical ou plus droit par rapport la formation.
Une telle orientation entraîne un découpage relativement plus fin et plus doux de la formation ou de cisaillement de copeaux de la formation qu'en cas d'une face de coupe à inclinaison arrière négative accrue. Une inclinaison arrière negative
EMI13.1
rejdceffieoL accrue ae < d race ue coupe, même en t dosenLe a uonsanon d'un chanfrein perceptible, donne des fragments plus épais, plus collants, plus durs, ayant la forme de grosses gouttes, par suite de la compression accrue et de la déformation du matériau de la formation par la face de coupe de l'élément de coupe.
En d'autres termes, l'utilisation d'une inclinaison arrière réduite permet à l'élément de coupe de cisailler de façon nette une couche relativement bien définie du matériau de la formation de la face de la formation non encore découpée au fond du puits de forage, tandis que l'utilisation d'une inclinaison arrière plus grande, en particulier en combinaison avec un chanfrein substantiel, entraîne l'application d'une charge plus transversale à la face de la formation par l'élément de coupe, comprimant le matériau de la formation et accroissant sa résistance au cisaillement par l'élément de coupe.
La face de coupe d'un élément de coupe à arête tranchante selon l'invention peut être plate, concave, convexe ou avoir une topographie différente, présentant malgré tout une face de coupe bidimensionnelle destinée à être orientée de façon pratiquement transversale à la direction du déplacement lors du montage de l'élément de coupe sur un trépan de forage.
La table superabrasive peut avoir une quelconque épaisseur connue dans la technique, suffisamment robuste pour résister au procédé de forage, l'invention envisageant plus spécifiquement l'utilisation de tables superabrasives extrêmement épaisses, d'une épaisseur supérieure à celle des tables superabrasives conventionnelles de 0,76 mm (0,030 pouce), englobant
<Desc/Clms Page number 14>
des tables superabrasives ayant une épaisseur globale ou partielle supérieure à 7,62 mm (0,300 pouce). La structure spécifique d'un élément de coupe superabrasif n'affecte pas l'utilité de l'invention, des masses superabrasives indépendantes ainsi que des masses superabrasives traditionnelles supportées par un substrat de carbure pouvant être utilisées avec l'invention.
En cas de support par un substrat, la face de jonction entre la table et le substrat peut être plane, non plane, régulière ou irrégulière, symétrique par rapport à la section transversale de l'élément de coupe ou non symétrique à celle-ci. La section transversale de la face de coupe d'un élément de coupe selon l'invention peut être circulaire ou comprendre une partie d'un cercle, rectangulaire,"en forme de pierre tombale"ou avoir une autre forme connue ou envisagée dans la technique.
La figure 3 illustre un train de tiges 200 agencé dans un puits de forage 202 lors du procédé de forage à travers une intervalle d'une
EMI14.1
formation plastlque mot le U4. Le trepan a lames rotanr ZiU comportant des éléments de coupe 110 selon l'invention qui y sont montés pénètre dans l'intervalle de la formation 204 en réponse à l'application d'un couple et d'un WOB approprié. Un volume comprenant un écoulement dosé ou un flux, un bouchon ou une"boule"de fluide de forage amélioré stabilisant l'argile réactive 122 peut être introduit dans le puits de forage 202 vers l'intérieur 208 du train de tiges 200 et sortir la long de la face du trépan 210 immédiatement avant que le trépan 210 entre dans l'intervalle 204. Le pompage du fluide 122 de manière commandée ou dosée est ensuite poursuivi lors de la traversée de l'intervalle 204 par le trépan 210.
La quantité de ce fluide de forage 122 introduit au cours de la pénétration de l'intervalle 204 dépend évidemment de la profondeur ou de l'épaisseur de l'intervalle, du ROP, du diamètre du puits de forage et du débit du fluide de forage. Il suffit de dire que le fluide de forage 122 devrait circuler jusqu'à ce que l'intervalle 204 a été traversé complètement, les hommes de métier de la technique de forage étant capables de calculer le volume requis du fluide de forage 122.
La tendance des roches argileuses à une instabilité, basée en grande partie sur le gonflement des argiles existantes, est discutée dans le document SPE no. 37263"Stabilisation physico-chimique des roches argileuses"par Van Oort, février 1997. Ce document présente aussi différentes approches concernant la stabilisation des roches argileuses avec utilisation de différents fluides de forage à base d'eau. On estime
<Desc/Clms Page number 15>
que de tels fluides peuvent être utilisés dans la présente invention pour maintenir l'intégrité des déblais de la formation lors de la mise en pratique de la présente invention.
Une composition de fluide de forage spécifiquement appropriée pouvant être utilisée en fonction des besoins lors du forage de formations de roches argileuses actives, englobant un volume suffisant d'argiles réactives englobe différentes compositions de fluide de forage à base d'eau améliorées par un additif de la Terpene Alternative Chemistry (TAC) commercialisé sous le nom de PENETREXTM par la Baker Hughes Incorporated de Houston, Texas, par l'intermédiaire d'une unité opérationnelle de la Baker Hughes INTEQ.
Les fluides de lignosulfonate, les fluides de bentonite/PAC, les fluides PHPA englobant le glycol/NaCl/PHPA et le NaCl/PHPA, les fluides à base de polyglycol, et les fluides de polyglycol CaC12, chacun amélioré par l'additif TAC, sont estimés appropriés pour une stabilisation de la roche argileuse, Il a été démontré qu'un pourcentage redult a 1, 0% en volume de l'aoamr iAL est etricace pour reduire une tendance à un bourrage du trépan dans les roches argileuses actives et pour accroître le ROP.
On estime toutefois que l'addition de 3% à environ 10% en volume de l'additif dans le système de fluide de forage, et souvent environ 3% à 5% en volume, permet de supprimer le bourrage et d'accroître de façon optimale le ROP en cas d'utilisation en combinaison avec des éléments de coupe polis à arête tranchante selon l'invention. L'additif engage l'eau libre dans les déblais de la roche argileuse, stabilisant le matériau avant l'apparition d'une agglomération.
Un autre fluide de forage approprié pour empêcher un bourrage du trépan a été décrit dans le brevet US 5586608, cédé au cessionnaire de la présente invention. Le fluide décrit est une émulsion huile dans eau utilisant un polyol ayant un point de trouble tel qu'en tête du trou de forage le polyol est soluble dans la phase aqueuse et qu'au fond du trou de forage le polyol est soluble dans la phase huileuse de l'émulsion.
Un fluide de forage encore différent pouvant être approprié pour la stabilisation des argiles a été décrit dans le brevet US 5558171 sous forme de fluides alcalins à base d'eau comportant un additif stabilisant les argiles comprenant un produit de réaction de polyamine polyfonctionnel préparé par la réaction d'un réactif à base de polyamine avec de l'urée en un produit de réaction intermédiaire, mis à son tour en réaction avec un dialkylcarbonate. Le pH de l'additif de stabilisation est ensuite réduit, l'additif étant incorporé dans le fluide de forage alcalin.
<Desc/Clms Page number 16>
Les fluides de forage ci-dessus à base d'huile et à émulsion inverse peuvent en outre aussi servir à mettre en pratique l'invention dans des formations argileuses dans la mesure où les conditions le permettent.
En résumé, un système ou un procédé selon la présente invention, destiné au forage dans des formations exigeant une stabilisation des déblais de la formation peuvent être mis en pratique avec un quelconque fluide de forage approprié à l'exécution d'une telle stabilisation, en combinaison avec les éléments de coupe à face de coupe polie selon l'invention. Il est aussi envisagé de mettre en pratique l'invention avec des éléments de coupe à arête tranchante, mais à finition conventionnelle (c. à. d. rodés), utilisés avec un système de fluide de forage approprié assurant la stabilisation voulue de déblais.
EMI16.1
La figure 4 illustre un trépan de forage 300, dont les lames 302 et 304 ont été tournées en-dehors de leurs alignements radiaux normaux vers
EMI16.2
grande clarté. La lame d'attaque 302 supporte plusieurs éléments de coupe grande clarté. La lame d'attaque 302 supporte plusieurs éléments de coupe
EMI16.3
polis, chanfreinés selon la technique antérieure 10 (dont un seul est représenté en vue d'une plus grande clarté), la lame arrière 304 supportant plusieurs éléments de coupe polis à arête tranchante 110 (dont un seul est représenté) selon la présente invention. Les éléments de coupe 10 et 110 sont agencés de sorte à balayer la formation au niveau d'emplacements radiaux à chevauchement.
Le trépan de forage 300 convient tout particulièrement au forage de formations molles, plastiques, comportant des cordons durs, ces cordons risquant d'endommager les arêtes de coupe tranchantes des éléments de coupe 110. Les éléments de coupe chanfreinés 10 subissent le poids de l'impact des cordons, limitant le DOC, les éléments de coupe à arête tranchante 110 assurant le découpage efficace du matériau de la formation molle, plastique à une DOC plus profonde, en cas d'absence de cordons. La DOC peut être contrôlée par la densité des éléments de coupe utilisés sur la face du trépan, le nombre d'éléments de coupe à arête tranchante par rapport aux éléments chanfreinés et le poids appliqué au trépan.
Comme indiqué dans les brevets US 5314033 et 5377773, cédés au cessionnaire de la présente invention, des éléments de coupe à inclinaison arrière positive peuvent être combinés avec des éléments de coupe à inclinaison arrière négative si l'on veut utiliser des éléments de coupe tranchants à inclinaison positive à proximité d'éléments de coupe chanfreinés à inclinaison négative pour assurer la protection dans les cordons et pour faire fonction de limiteurs de la DOC. Des éléments de
<Desc/Clms Page number 17>
coupe englobant des faces de coupe à inclinaison positive et à inclinaison négative selon ces brevets peuvent aussi être utilisés.
L'invention a certes été décrite en référence à certaines formes de réalisation décrites et illustrées, mais les hommes de métier comprendront qu'elle n'y est pas limitée. Des additions, des suppressions et des modifications peuvent être apportées aux formes de réalisation de l'invention décrite sans se départir de l'objectif de l'invention revendiqué ci-dessous.