EP1514995A1 - Drilling rig with rotating head - Google Patents
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- E21B7/062—Deflecting the direction of boreholes the tool shaft rotating inside a non-rotating guide travelling with the shaft
Abstract
Description
La présente invention a pour objet une installation de forage par tête rotative comportant des moyens de correction de trajectoire de la tête et notamment de moyens de correction de verticalité lorsque le forage réalisé est vertical.The present invention relates to a drilling installation rotary head comprising means for correcting the trajectory of the head and in particular verticality correction means when the realized drilling is vertical.
De façon plus précise, la présente invention concerne une telle installation de forage qui peut être commandée automatiquement, en ce qui concerne la correction des erreurs éventuelles de trajectoire du forage et notamment de verticalité.More specifically, the present invention relates to such drilling rig that can be controlled automatically, in that concerning the correction of the possible errors of trajectory of the drilling and in particular of verticality.
Lors de la réalisation de pieux forés à l'aide d'une tête de forage rotative entraínée par un train de tiges, de nombreux paramètres peuvent influer sur la verticalité du forage effectivement réalisé. Ces paramètres sont notamment l'inhomogénéité du terrain que rencontre à une même profondeur la tête de forage ou encore la rigidité nécessairement limitée du train de tiges. Lorsque le forage doit être réalisé à une grande profondeur, par exemple de l'ordre de 100 mètres, on comprend qu'une déviation même d'un angle réduit par rapport à la verticale peut entraíner une erreur de positionnement du fond du forage important. Or, dans un grand nombre de cas, il est impossible de tolérer de tels écarts, en raison des tolérances imposées par les spécifications de l'ouvrage.When making piles drilled with a head of rotary drilling driven by a train of rods, many parameters can influence the verticality of the drilling actually carried out. These parameters are notably the inhomogeneity of the terrain that meets with the same depth the drilling head or rigidity necessarily limited the drill string. When drilling needs to be realized at a great depth, for example of the order of 100 meters, it is understood that a deviation even of a reduced angle compared to the vertical can cause a positioning error in the bottom of the borehole important. In many cases, it is impossible to tolerate such differences, because of the tolerances imposed by the specifications of the work.
Plus généralement, on peut être amené à réaliser des forages non verticaux, par exemple des forages présentant sur toute leur profondeur une inclinaison constatée par rapport à la verticale ou encore des forages comportant plusieurs portions, chaque portion présentant une inclinaison propre par rapport à la verticale. Dans ces situations, il est important que le forage effectué respecte l'inclinaison ou les inclinaisons définies par les spécifications de l'ouvrage.More generally, drilling may be required non-vertical, for example, boreholes with all their depth an inclination noted relative to the vertical or Drilling with several portions, each portion having a own inclination with respect to the vertical. In these situations, it is important that the borehole is tilted or tilted defined by the specifications of the book.
Il est donc très souhaitable de disposer d'une installation de forage du type à tête rotative qui permette de corriger les erreurs éventuelles de trajectoire.It is therefore very desirable to have an installation of rotary head type drilling to correct errors possible trajectory.
Dans le présent texte, par "erreur de trajectoire", il faut entendre le fait que le forage effectivement réalisé à l'aide de l'outil rotatif fait un angle avec le tracé prévu pour le forage. Le plus souvent, le tracé prévu du forage est vertical et on sera donc amené à détecter des erreurs de verticalité. In the present text, by "mistake of trajectory", it is necessary hear the fact that drilling actually performed using the rotary tool makes an angle with the planned route for drilling. Most often, the route planned drilling is vertical and we will be led to detect errors of verticality.
On comprend également qu'il est très souhaitable que les moyens utilisés pour corriger cette erreur de trajectoire n'entraínent pas des périodes d'indisponibilité de la tête de forage significatives.It is also understandable that it is highly desirable that means used to correct this error of trajectory do not lead to periods of unavailability of the drill head significant.
Sur la figure 1 annexée, on a représenté une installation de type
connu de forage par tête de coupe rotative. Sur cette figure, on a
représenté le forage 10 en cours de réalisation avec son tubage 12. A la
partie supérieure 14 du tubage 12 est montée une tête 16 de mise en
rotation et de déplacement en translation de la tête de coupe. La tête de
mise en rotation et de déplacement 16 est reliée à l'outil de coupe 18 par
un train de tiges rotatives 20. A intervalles réguliers, le train de tiges 20
est équipé, de préférence, d'ailettes de stabilisation telles que 22 qui
assurent un certain centrage du train de tiges 20 dans le forage.
L'extrémité inférieure 20a du train de tiges est reliée à l'outil de coupe 18
par l'intermédiaire de deux tambours stabilisateurs 24 et 26. Bien
entendu, il pourrait n'y avoir qu'un seul tambour stabilisateur. Dans la
suite de la description, les tambours stabilisateurs 24 ou 26 seront appelés
"stabilisateurs". Les tambours stabilisateurs 24 ou 26 sont des pièces
constituées par une jupe cylindrique externe dont le diamètre est
légèrement inférieur à celui de l'outil de coupe 18 mais très supérieur à
celui du train de tiges. Comme on l'expliquera plus en détail
ultérieurement, le stabilisateur 24 ou 26 est monté libre en rotation autour
du train de tiges 20 mais immobilisé en translation. Le ou les tambours ou
les stabilisateurs 24 ou 26 permette(nt) d'assurer une certaine orientation
ou trajectoire à l'outil de coupe 18. Cependant, même avec la présence de
ces stabilisateurs, la trajectoire de l'outil de coupe ne peut être le plus
souvent assurée avec la tolérance requise.In Figure 1 attached, there is shown a type of installation
known drilling rotary cutting head. In this figure, we have
represented the
Dans le cas de la réalisation de pieux forés, cas de l'invention, les tiges ont un diamètre de 200 à 400 millimètres et le diamètre du forage est au moins de 1 000 millimètres et le plus souvent d'au moins 1 500 millimètres. Le diamètre des tambours de stabilisation est aussi d'au moins 1 000 à 1 500 millimètres et donc au moins trois fois supérieur à celui des tiges.In the case of the realization of drilled piles, case of the invention, the stems have a diameter of 200 to 400 millimeters and the diameter of the drilling is at least 1000 millimeters and most often at least 1500 millimeters. The diameter of the stabilizing drums is also from minus 1,000 to 1,500 millimeters and therefore at least three times greater than that of the stems.
Un objet de la présente invention est de fournir une installation de forage à tête de coupe rotative du type décrit notamment en référence à la figure 1 mais qui comporte des moyens de correction de trajectoire d'outil permettant de respecter la trajectoire théorique souhaitée. An object of the present invention is to provide an installation rotary cutting head of the type described in particular with reference in FIG. 1 but which comprises path correction means tool to respect the desired theoretical trajectory.
Pour atteindre ce but, selon l'invention, l'installation de forage équipée de moyens de correction de trajectoire comprend :
- une tête rotative de forage ;
- un train de tiges pour provoquer la rotation et la montée/descente de ladite tête de forage ;
- des moyens de commande de la rotation du train de tiges ; et
- un stabilisateur monté libre en rotation autour du train de tiges à proximité de ladite tige de forage,
- des moyens pour déplacer ledit patin entre une position de repos dans laquelle il est sensiblement disposé dans la paroi latérale du stabilisateur et une position active dans laquelle il fait saillie hors de ladite paroi latérale pour venir en appui sur la paroi du forage ;
- des moyens de commande des moyens de déplacement du patin ; et
- des moyens pour donner temporairement au patin une orientation angulaire prédéterminée.
- a rotary drilling head;
- a drill string for causing rotation and raising / lowering of said drill head;
- means for controlling the rotation of the drill string; and
- a stabilizer mounted free to rotate about the drill string near said drill pipe,
- means for moving said pad between a rest position in which it is substantially disposed in the side wall of the stabilizer and an active position in which it projects out of said side wall to bear on the wall of the borehole;
- means for controlling the means for moving the pad; and
- means for temporarily giving the pad a predetermined angular orientation.
On comprend que lorsque l'erreur de trajectoire est détectée par exemple à l'aide de capteurs montés sur l'outil de coupe, le train de tiges est arrêté. Puis, on commande la rotation du train de tiges pour amener le patin d'appui dans l'orientation angulaire correspondant à la correction de trajectoire à apporter. Cette orientation ayant été réalisée, on commande les moyens de déplacement pour appliquer le patin d'appui contre la paroi du forage.It is understood that when the trajectory error is detected by example using sensors mounted on the cutting tool, the drill string stopped. Then, we control the rotation of the drill string to bring the bearing pad in the angular orientation corresponding to the correction of trajectory to bring. This orientation having been realized, we order the displacement means for applying the bearing pad against the wall drilling.
La rotation et le déplacement du train de tiges et donc de l'outil de coupe sont alors commandés à nouveau, l'action du patin d'appui permettant de corriger la trajectoire de l'outil rotatif de coupe.Rotation and movement of the drill string and therefore the tool cutting are then ordered again, the action of the support pad to correct the path of the rotary cutting tool.
Il faut de plus souligner que le patin constituant une partie de la paroi latérale du stabilisateur, celui-ci peut remplir intégralement son rôle de guidage en dehors des phases de correction d'erreur de trajectoire.It must also be emphasized that the skate is a part of the lateral wall of the stabilizer, it can fully fulfill its role guidance outside the error correction phases of trajectory.
Selon un premier mode de mise en oeuvre, de préférence, les moyens d'orientation angulaire du patin comprennent des premiers moyens formant butée, solidaires en rotation, dudit stabilisateur et des deuxièmes moyens formant butée solidaires en rotation du train de tiges et mobiles par rapport au train de tiges pour prendre une première position active dans laquelle les premiers et deuxièmes moyens formant butée peuvent coopérer pour transmettre la rotation du train de tiges audit stabilisateur.According to a first mode of implementation, preferably, the means of angular orientation of the pad comprise first stop means, integral in rotation, of said stabilizer and second means forming a stop integral in rotation with the drill string and mobile in relation to the drill string to take a first active position in which the first and second means forming stop can cooperate to transmit the rotation of the drill string stabilizer audit.
De préférence encore, lesdits deuxièmes moyens formant butée comprennent un vérin d'orientation dont le corps est solidaire du train de tiges et dont la tige est mobile parallèlement à l'axe du train de tiges. En position sortie, l'extrémité de la tige dudit vérin est apte à coopérer en rotation avec les premiers moyens formant butée.More preferably, said second means forming an abutment include an orientation cylinder whose body is attached to the train of rods and whose rod is movable parallel to the axis of the drill string. In position, the end of the rod of said cylinder is able to cooperate in rotation with the first means forming a stop.
Selon ce mode préféré de mise en oeuvre, on comprend que lorsque le vérin d'orientation n'est pas activé, il n'y a aucune liaison en rotation entre le train de tiges et le stabilisateur. En revanche, lorsque le vérin est activé, l'extrémité de sa tige vient coopérer avec la butée portée par le stabilisateur, ce qui permet de donner au stabilisateur et donc au patin d'appui l'orientation souhaitée. Lorsque cette orientation est obtenue, le vérin d'orientation est désactivé et la liaison mécanique en rotation entre le train de tiges et le stabilisateur est supprimé.According to this preferred mode of implementation, it is understood that when the orientation cylinder is not activated, there is no connection in rotation between the drill string and the stabilizer. On the other hand, when cylinder is activated, the end of its rod comes to cooperate with the stop stabilizer, which gives the stabilizer and thus the support pad the desired orientation. When this orientation is obtained, the orientation cylinder is deactivated and the mechanical connection rotation between the drill string and the stabilizer is removed.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles :
- la figure 1 déjà décrite montre une installation de forage à tête rotative de coupe de type connu ;
- la figure 2A montre en coupe verticale un premier mode de réalisation du système de correction d'erreur de trajectoire ;
- la figure 2B est une vue en coupe horizontale selon la ligne B-B de la figure 2A ; et
- la figure 3 illustre une variante de réalisation du système de correction d'erreur de trajectoire.
- Figure 1 already described shows a drilling rig rotary head cutting known type;
- FIG. 2A shows in vertical section a first embodiment of the trajectory error correction system;
- Figure 2B is a horizontal sectional view along line BB of Figure 2A; and
- FIG. 3 illustrates an alternative embodiment of the trajectory error correction system.
En se référant maintenant aux figures 2A et 2B, on va décrire
un premier mode de réalisation du système de correction d'erreur de
trajectoire. Ce système comme on l'a déjà expliqué est réalisé à partir du
stabilisateur 40 qui est monté sur le train de tiges 20 à proximité de l'outil
de coupe non représenté sur ces figures. Referring now to Figures 2A and 2B, we will describe
a first embodiment of the error correction system of
path. This system as already explained is made from the
Le stabilisateur 40 est constitué essentiellement par une paroi
externe cylindrique 42 d'axe X, X'. La paroi latérale 42 est complétée par
deux portions annulaires d'extrémité 44 et 45. Le stabilisateur 40
comprend également de façon simplifiée un manchon axial 46 qui est
engagé autour des tiges 20 du train de tiges. Ce manchon est relié
mécaniquement à la paroi latérale 42 par exemple par des bras radiaux
non représentés sur les figures. Comme le montre la figure 2A, la tige 20
sur laquelle est monté le stabilisateur 40 comporte deux bagues
annulaires fixes 48 et 50 qui jouent le rôle de butée pour limiter les
possibilités de déplacement en translation du stabilisateur 40 le long de la
tige 20. En revanche, comme on l'a déjà expliqué le stabilisateur 40 est
libre en rotation autour de la tige 20.The
Selon l'invention, une partie de la paroi latérale 42 du
stabilisateur 40 constitue une pièce séparée 52 qui a donc la forme d'une
portion de surface cylindrique. Cette portion séparée 52 qui forme un
patin d'appui sur la paroi du forage est montée mobile par rapport au
reste du stabilisateur par l'intermédiaire de vérins de déplacement par
exemple les quatre vérins référencés 54 sur les figures. Ces vérins, de
préférence hydrauliques, ont un corps 55 qui est solidaire par tout moyen
convenable de la partie principale du stabilisateur 40 et dont les
extrémités 56a des tiges 56 sont solidaires du patin 52 également par tout
moyen convenable. Les tiges 56 des vérins 54 peuvent se déplacer dans
des plans orthogonaux à l'axe X, X' et selon des directions y, y' parallèles
au plan médian P, P' du stabilisateur. Ainsi, le patin 52 peut être déplacé à
l'aide des vérins 54 entre une position rentrée représentée sur la figure 2B
dans laquelle le patin 52 constitue une continuité de la paroi latérale 42 du
stabilisateur proprement dit et une position sortie représentée en pointillé
sur la figure 2B. Dans cette position sortie, le patin 52 est appliqué avec
pression contre la paroi du forage ou contre le tubage lorsqu'il est prévu.
On comprend que cette action du patin 52 contre la paroi du forage
transmet une force au train de tiges 20 et donc à l'axe de rotation de
l'outil de coupe 18 pour modifier la trajectoire de l'outil de coupe et
corriger ainsi l'axe du forage réalisé.According to the invention, part of the
Pour obtenir la correction de la trajectoire souhaitée, il est bien
sûr nécessaire, avant de provoquer la sortie du patin d'appui 52, de
donner à celui-ci l'orientation angulaire correspondant à la correction de
trajectoire à apporter. Cette orientation du patin 52, c'est-à-dire du
stabilisateur 40 est obtenue en réalisant une liaison temporaire mécanique
en rotation entre le train de tiges et le stabilisateur 40. Lorsque cette
liaison temporaire est réalisée, en commandant la rotation du train de
tiges d'un angle prédéterminé, on communique la même rotation au
stabilisateur 40 et donc au patin d'appui 52. Une fois que cette orientation
est réalisée, la liaison mécanique entre le train de tiges et le stabilisateur
est interrompue. L'outil rotatif de coupe est alors remis en marche.
L'action du patin 52 sur l'outil permet de corriger l'erreur de trajectoire. Si
la longueur de déplacement relatif du patin par rapport au train de tiges,
définie par les bagues annulaires 48 et 50 et qui est par exemple de
l'ordre de un mètre est insuffisante pour obtenir la correction souhaitée, il
faut accomplir les opérations suivantes : désactiver le patin 52 pour
permettre la descente du stabilisateur 40 le long de la tige 20 jusqu'à ce
qu'il arrive en appui sur la bague annulaire inférieure ; procéder à une
nouvelle orientation du patin 52 ; et remettre en appui le patin sur la paroi
du forage après que le patin ait été réorienté.To obtain the correction of the desired trajectory, it is well
necessary, before causing the release of the
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 2A et 2B,
la liaison mécanique temporaire est obtenue de la manière suivante :
De préférence, le vérin d'orientation 60 est un vérin hydraulique
à double effet. On peut ainsi utiliser la même alimentation en liquide sous
pression que pour les vérins 54 dont on décrira ultérieurement un mode
préféré de réalisation de leur alimentation.Preferably, the
Sur les figures 2A et 2B, on a représenté également
schématiquement la commande des vérins 54 de déplacement du
patin 52. Dans le mode de réalisation représenté, l'alimentation en liquide
sous pression est réalisée par l'intermédiaire d'une conduite liée aux
tiges 20. La tige 20 sur laquelle est monté le stabilisateur 40 est équipée
d'un joint tournant 70. Ce joint tournant comporte une première partie 72
solidaire de la tige 20 et reliée à la conduite d'alimentation en liquide sous
pression et une partie mobile 74. Cette partie mobile 74 est équipée d'une
conduite 76 qui pénètre dans le stabilisateur 40. La conduite 76 est divisée
en quatre conduites d'alimentation telles que 78 pour alimenter chacun
des vérins 54.In FIGS. 2A and 2B, there is also shown
schematically the control of the
Sur les figures 2A et 2B, l'orientation initiale du patin d'appui 52
est réalisée par la liaison mécanique temporaire en rotation résultant de
l'action de la tige 64 du vérin d'orientation 60 sur la butée mécanique 66
solidaire du stabilisateur 40.In FIGS. 2A and 2B, the initial orientation of the
Sur la figure 3, on a représenté de façon simplifiée une variante
de réalisation dans laquelle la solidarisation temporaire en rotation
comporte toujours le vérin d'orientation 60 mais celui-ci peut coopérer en
position sortie avec une butée mécanique 80 solidaire en rotation de la
partie mobile 74 du joint tournant 70. Dans ce cas, il faut bien sûr qu'il
existe une liaison mécanique suffisante entre le stabilisateur 40 et la partie
mobile 74 du joint tournant. Cette liaison mécanique peut être de toute
nature convenable et par exemple par des tiges métalliques telles que 82
reliant la partie mobile 74 du joint tournant à la paroi à la partie
supérieure 44 de la paroi du stabilisateur 40. Bien entendu, entre la partie
mobile du joint tournant 70 et le stabilisateur 40, il demeure la conduite
de liaison 76 pour l'alimentation des vérins 54 en liquide sous pression. En
revanche, la butée mécanique fixe 66 est supprimée.FIG. 3 is a simplified representation of a variant
embodiment in which the temporary joining in rotation
always includes the
Dans la description précédente, le vérin d'orientation 60 est un
vérin hydraulique. On ne sortirait pas de l'invention si ce vérin était
pneumatique. Dans ce cas, les tiges 20 doivent être équipées des
conduites 67 et 68 d'alimentation en air sous pression reliées aux
chambres antérieure 60a et postérieure 60b du vérin. In the preceding description, the
On comprend également que, de préférence, les organes de commande du système de correction sont des vérins. Ils peuvent donc être commandés automatiquement et à distance.It is also understood that, preferably, the organs of control of the correction system are cylinders. They can therefore be controlled automatically and remotely.
Ainsi qu'on l'a déjà expliqué, dans le cadre de l'invention, le stabilisateur a un diamètre qui est au moins trois fois supérieur à celui des tiges. En outre, le diamètre externe du stabilisateur est proche de celui de l'outil rotatif de coupe et donc de celui du forage.As has already been explained, in the context of the invention, the stabilizer has a diameter that is at least three times greater than that of rods. In addition, the external diameter of the stabilizer is close to that of the rotary cutting tool and therefore that of the drilling.
De plus, au repos, le patin de correction de trajectoire est une partie de la paroi latérale du stabilisateur.In addition, at rest, the trajectory correction pad is a part of the side wall of the stabilizer.
En conséquence, la course du patin de correction pour passer de sa position de repos à la position active est donc très réduite. Il va de même de celle des vérins qui commandent le patin. Les efforts mécaniques auxquels ces vérins sont soumis sont donc réduits.As a result, the race of the correction skate to pass from its rest position to the active position is therefore very small. He goes from even that of the cylinders that control the pad. The efforts mechanical forces to which these cylinders are subjected are reduced.
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