EP1225299A1 - High pressure fluid jet drilling tool - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet un ensemble de forage à jet de liquide sous pression qui permet la réalisation de forage dévié.The present invention relates to a jet drilling assembly of pressurized liquid which enables deviated drilling.
La technique dite de "jet grouting" consiste à réaliser des colonnes de béton de sol en utilisant un fluide envoyé à haute pression pour déstructurer le terrain. Cette opération de déstructuration est réalisée à partir d'un forage mécanique matérialisant l'axe de la colonne qui sera ainsi obtenue. La position et notamment la verticalité de ces colonnes sont très importantes pour la qualité de l'ouvrage final en particulier lorsque celui-ci doit avoir une fonction d'étanchéité. Par exemple, pour obtenir une bonne continuité d'un voile résultant de la juxtaposition de colonnes ou celle d'un massif, il faut positionner de façon très précise les axes de toutes les colonnes constituant cet ouvrage. Pour corriger des erreurs de positionnement et notamment de verticalité, on utilise des techniques de forage dirigé afin de corriger les déviations de l'axe du forage en cours de réalisation.The technique known as "jet grouting" consists in carrying out soil concrete columns using high pressure fluid to deconstruct the terrain. This destructuring operation is carried out from a mechanical drilling materializing the axis of the column which will be thus obtained. The position and in particular the verticality of these columns are very important for the quality of the final work in particular when this must have a sealing function. For example, for obtain good continuity of a veil resulting from the juxtaposition of columns or that of a massif, it is necessary to position very precisely the axes of all the columns making up this work. To correct positioning errors and in particular of verticality, we use directional drilling techniques to correct deviations from the axis of the drilling in progress.
La technique de forage dirigé s'appuie sur deux systèmes : d'une part la détection de la position du forage et d'autre part la possibilité de faire dévier ce forage dans la direction souhaitée afin de corriger l'erreur de verticalité ou, plus généralement, l'erreur de direction.The directional drilling technique is based on two systems: on the one hand the detection of the drilling position and on the other hand the possibility of diverting this drilling in the desired direction in order to correct the verticality error or, more generally, the direction error.
Les techniques couramment utilisées dans les terrains durs, c'est-à-dire essentiellement dans le domaine des forages pétroliers, sont basées sur trois principes :
- l'insertion d'un coude dans la ligne d'outil ;
- l'utilisation de déflecteurs commandés qui créent un effort latéral sur l'outil ; et
- le changement de l'incidence de l'outil, par exemple en faisant fléchir son axe.
- inserting an elbow into the tool line;
- the use of controlled deflectors which create a lateral force on the tool; and
- changing the incidence of the tool, for example by bending its axis.
Ces trois techniques sont associées à la rotation continue de l'outil de forage entraíné soit par un moteur de fond, soit directement par la tête de forage via le train de tiges. L'outil de forage est uniquement équipé d'organes mécaniques de coupe. La mise en circulation d'un liquide ou boue de forage a uniquement pour but de lubrifier les organes mécaniques de coupe et de permettre la remontée des débris de sol arrachés.These three techniques are associated with the continuous rotation of the drilling tool driven either by a downhole motor or directly by the drill head via the drill string. The drilling tool is only fitted with mechanical cutting devices. The putting into circulation of a drilling fluid or mud is only intended to lubricate the organs mechanical cutting and allowing the recovery of soil debris torn.
Dans les terrains de couverture, d'autres techniques de forage dévié sont utilisées. Elles sont basées sur le fonçage d'une palette inclinée dont est équipé l'outil, ce fonçage étant quelquefois assisté par un jet de fluide de forage. Pour effectuer la déviation, la rotation du train de tiges à l'extrémité duquel est monté l'outil doit être arrêtée et après orientation, l'outil est foncé dans le terrain sur quelques centimètres avant de reprendre sa rotation. Cette opération est répétée plusieurs fois jusqu'à ce que l'on obtienne une déviation significative capable de corriger l'erreur de direction. Pour forer de façon normale, l'outil est mis en rotation continue.In the cover areas, other drilling techniques deviated are used. They are based on the sinking of a pallet inclined with which the tool is fitted, this sinking is sometimes assisted by a drilling fluid jet. To carry out the deviation, the rotation of the train rods at the end of which the tool is mounted must be stopped and after orientation, the tool is dark in the ground for a few centimeters before to resume its rotation. This operation is repeated several times until that we obtain a significant deviation capable of correcting the error of management. For normal drilling, the tool is rotated keep on going.
Dans le cas des forages utilisés pour la construction de colonnes par "jet grouting", ceux-ci sont obligatoirement situés dans des terrains qui peuvent être détruits par un jet sous haute pression, c'est-à-dire des terrains relativement meubles.In the case of boreholes used for the construction of columns by "jet grouting", these are necessarily located in land which can be destroyed by a high pressure jet, that is, relatively loose terrain.
Une technique de forage utilisée dans les terrains alluvionnaires peu cohérents consiste à déstructurer le sol par un jet de fluide sous pression dirigé vers l'avant de l'outil. Cette technique s'appelle le lançage. Elle est très utilisée dans les terrains sableux peu compacts. L'inconvénient de ce principe de forage est qu'il ne fonctionne pas dès qu'il rencontre un obstacle un peu plus dur.A drilling technique used in the land inconsistent alluvial deposits consists of destructuring the soil with a jet of pressurized fluid directed towards the front of the tool. This technique is called launching. It is widely used in uncompact sandy soils. The disadvantage of this drilling principle is that it does not work as soon as that it encounters a slightly harder obstacle.
Un objet de l'invention est de fournir un ensemble de forage dans le sol par injection de fluide sous pression qui permet, dans certaines phases de forage, de réaliser un forage dirigé afin de corriger une erreur de direction du forage.An object of the invention is to provide a drilling assembly into the soil by injection of pressurized fluid which allows, in certain drilling phases, to carry out a directed drilling in order to correct a drilling direction error.
Pour atteindre ce but, l'ensemble de forage dans le sol par injection de fluide sous pression comprend :
- une pluralité de tiges de forage raccordées entre elles et comportant des moyens formant conduite pour un fluide sous pression, lesdites tiges formant un train de tiges ;
- une tête de forage pour commander la mise en rotation dans un sens et dans l'autre et la translation verticale dudit train de tiges ;
- un outil de forage fixé à l'extrémité inférieure dudit train de tiges, ledit outil ayant un corps présentant un axe longitudinal prolongeant l'axe du train de tiges, une extrémité inférieure munie de n organes de coupe (n > 1) et des moyens pour créer un jet de fluide sous pression pour désagréger le sol, des moyens de raccordement des moyens formant conduite aux moyens de création de jet et des moyens pour donner audit jet une distribution moyenne non symétrique par apport audit axe longitudinal dudit outil ; et
- des moyens pour alimenter lesdits moyens formant conduite sous une pression suffisante pour que le jet produit réalise effectivement une désagrégation du sol.
- a plurality of drill pipes connected together and comprising pipe means for a pressurized fluid, said pipes forming a drill string;
- a drilling head for controlling the rotation in one direction and in the other and the vertical translation of said drill string;
- a drilling tool fixed to the lower end of said drill string, said tool having a body having a longitudinal axis extending the axis of the drill string, a lower end provided with n cutting members (n> 1) and means for creating a jet of pressurized fluid for disaggregating the ground, means for connecting the means forming a pipe to the means for creating a jet and means for giving said jet an average distribution that is not symmetrical by adding said longitudinal axis to said tool; and
- means for supplying said pipe-forming means with sufficient pressure for the jet produced to effectively disintegrate the soil.
Dans le présent texte, par moyens pour créer un jet de fluide sous pression, il faut entendre des moyens qui permettent de créer à l'extrémité inférieure de l'outil de forage une sortie de fluide sous pression, pouvant consister effectivement en un seul jet ou en une pluralité de jets.In the present text, by means for creating a jet of fluid under pressure, we have to hear means which make it possible to create the lower end of the drilling tool a pressurized fluid outlet, can actually consist of a single jet or a plurality of jets.
En outre, l'outil de forage pouvant être animé d'un mouvement de rotation continu ou alterné autour de son axe longitudinal, par distribution moyenne non symétrique par rapport à l'axe longitudinal, on entend non seulement la distribution du jet à l'état statique (en l'absence de rotation) mais également dynamique, c'est-à-dire l'ensemble des positions du ou des jets lors d'une période de rotation de l'outil autour de son axe.In addition, the drilling tool being able to be animated with a movement of continuous or alternating rotation about its longitudinal axis, by non-symmetrical mean distribution with respect to the longitudinal axis, we hears not only the static jet distribution (in the absence but also dynamic, i.e. all of the positions of the jet (s) during a period of rotation of the tool around its axis.
Selon un premier mode de mise en oeuvre, l'outil se caractérise en ce que les moyens pour créer un jet de fluide sous pression comprennent q buses d'injection réparties symétriquement par rapport à l'axe longitudinal dudit outil et en ce qu'il comprend des moyens pour commander temporairement l'interruption de l'alimentation de certaines desdites buses de telle manière que lesdites r buses alimentées présentent une distribution non symétrique par rapport à l'axe longitudinal dudit outil.According to a first mode of implementation, the tool is characterized in that the means for creating a jet of pressurized fluid include q injection nozzles distributed symmetrically with respect to the longitudinal axis of said tool and in that it comprises means for temporarily order the interruption of the supply of certain said nozzles so that said r supplied nozzles have a non-symmetrical distribution with respect to the longitudinal axis said tool.
On comprend que, dans ce premier mode de mise en oeuvre, en dehors des phases de déviation, le jet de fluide sous pression présente une distribution symétrique par rapport à l'axe de l'outil et le jet est modifié temporairement dans les phases de déviation pour introduire une dissymétrie dans la direction souhaitée.It is understood that, in this first mode of implementation, outside the deflection phases, the jet of pressurized fluid presents symmetrical distribution with respect to the axis of the tool and the jet is modified temporarily in the deviation phases to introduce a asymmetry in the desired direction.
Selon un deuxième mode de mise en oeuvre, l'outil de forage directionnel se caractérise en ce que lesdits moyens de création du jet de fluide sous pression comprennent q buses d'injection sous pression, lesdites q buses étant réparties non symétriquement par rapport à l'axe longitudinal dudit outil, et il comprend des moyens pour alimenter simultanément lesdites buses. According to a second embodiment, the drilling tool directional is characterized in that said means for creating the jet of pressurized fluid include q pressure injection nozzles, said q nozzles being distributed non-symmetrically with respect to the axis longitudinal of said tool, and it comprises means for supplying simultaneously said nozzles.
Dans ce deuxième mode de mise en oeuvre, le jet de fluide sous pression est dissymétrique par rapport à l'axe du corps de l'outil en permanence et, dans les phases de déviation, on obtient donc la déviation. En revanche, en dehors des phases de déviation, l'outil est commandé en rotation continue pour rendre la distribution moyenne du jet de fluide sous pression symétrique sur une période de rotation de l'outil.In this second embodiment, the fluid jet under pressure is asymmetrical about the axis of the tool body permanence and, in the deviation phases, we therefore obtain the deviation. However, apart from the deviation phases, the tool is controlled in continuous rotation to make the average distribution of the jet of fluid under symmetrical pressure over a period of rotation of the tool.
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'exemples non
limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles :
Sur la figure 1, on a représenté un ensemble de forage
comportant une plate-forme 10 montée de préférence sur des chenilles 14
ou tout autre système de déplacement. Sur la plate-forme 10 est articulé
un mât de guidage 16 servant à guider en translation un chariot 18. Le
chariot 18 supporte une tête de forage 20 pour la mise en rotation et le
déplacement en translation d'un train de tiges de forage 22 à l'extrémité
inférieure 22a duquel est monté l'outil de forage 24. L'outil de forage 24
est du type capable de créer des jets de fluide sous pression.In Figure 1, there is shown a drilling assembly
comprising a platform 10 preferably mounted on
L'alimentation sous pression est réalisée par une source de
fluide sous pression 26, de préférence un liquide, qui alimente une
conduite non représentée disposée à l'intérieur des tiges de forage 2,
cette conduite pouvant être constituée par les tiges elles-mêmes et
raccordée à celle-ci par un tube flexible 28 et un joint tournant 30. Le
contrôle des déplacements verticaux de la tête de forage 20 est assuré
par exemple par un système de câble 32 ou de chaíne, entraíné par un
moteur non représenté, alors que la mise en rotation du train de tiges est
réalisée par exemple par un moteur 34. The pressure supply is carried out by a source of
pressurized fluid 26, preferably a liquid, which supplies a
pipe not shown arranged inside the drill rods 2,
this pipe can be constituted by the rods themselves and
connected to the latter by a
En se référant tout d'abord aux figures 2A et 2B, on va décrire
un premier mode de réalisation de l'outil de forage qui porte la référence
24a. Cet outil comprend un corps 40 qui présente une extrémité
inférieure 42 sur laquelle sont montés des organes de coupe tels que 44
de type classique. Dans la face inférieure 42 sont également prévues des
buses telles que 46 capables de créer un jet de liquide sous pression
dirigé sensiblement selon l'axe longitudinal X-X' du corps 40 de l'outil. Le
corps 40 de l'outil comporte une deuxième extrémité 48 munie d'un
filetage 50 de raccordement au train de tiges 22. On a représenté
également dans le train de tiges 22 une conduite d'alimentation en liquide
sous pression 52. Cette conduite 52 est raccordée à des passages tels
que 54 aménagés dans le corps de l'outil pour alimenter les buses 46.
Comme le montre la figure 2A, la buse 46a est équipée d'un interrupteur
commandable 56. Sur la figure 2B, on a représenté quatre outils
mécaniques de coupe tels que 44 et quatre buses d'injection 46a, 46b,
46c et 46d. Ces buses sont disposées à 90° les unes par rapport aux
autres. Plus généralement, ces buses dont le nombre peut être différent
de 4 sont disposées globalement symétriquement par rapport à l'axe X-X'
de l'outil.Referring first to Figures 2A and 2B, we will describe
a first embodiment of the drilling tool which bears the
On comprend que, lorsque les buses sont alimentées en liquide
sous pression, les buses 46b,46c et 46d créent en permanence un jet
localisé de liquide alors que la buse 46a crée un tel jet ou ne crée aucun
jet selon l'état de l'interrupteur 56. L'interrupteur 56 peut par exemple être
commandé par un système bistable dont l'état dépend de l'application
d'une surpression temporaire.It is understood that, when the nozzles are supplied with liquid
under pressure, the
On comprend que, lorsque l'outil 24a n'est pas entraíné en
rotation et que la buse 46a est obturée, le jet global de liquide sous
pression créé par les buses 46b, 46c et 46d est dissymétrique et va
permettre la déviation de la trajectoire de l'outil dans le sol. Au contraire, si
la buse 46a est alimentée, le jet global est symétrique et aucune déviation
n'intervient.We understand that, when the
Il est possible lors de la phase de déviation de combiner l'effet
des jets sous pression et l'action mécanique des organes de coupe 44
pour obtenir le forage. Pour maintenir l'effet de déviation, il suffit de
provoquer la rotation alternée de l'outil d'un angle égal à 90° par exemple,
ce qui n'altère pas la dissymétrie du jet, mais permet l'action des différents
outils de coupe sur 360 degrés. Plus généralement, si l'outil comporte n
organes de coupe 40, la rotation alternée sera d'un angle au moins égal à
360/n degrés et inférieur à 360 degrés pour maintenir la dissymétrie
moyenne des jets produits par les buses. Le moteur 34 de la tête de
forage devra être commandé en conséquence.It is possible during the deviation phase to combine the effect
pressurized jets and the mechanical action of the cutting
Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 3A et
3B, l'outil de forage qui porte la référence 24b comprend trois organes de
coupe 60 et trois buses d'injection de liquide sous pression 62a, 62b et
62c. Les buses d'injection 62a et 62c sont obturées en permanence alors
que la buse 62b est ouverte en permanence. Il serait également possible
de prévoir un outil ne comportant qu'une seule buse. On comprend
qu'ainsi lorsque l'outil de forage est alimenté en fluide sous pression, le jet
global résultant est, à l'état statique, c'est-à-dire en l'absence de rotation
de l'outil, dissymétrique par rapport à l'axe X-X' de l'outil de forage. On
peut ainsi provoquer la déviation de l'outil comme le montre la figure 3B.
Pour permettre l'action des différents organes de coupe 60, on peut
donner à l'outil un mouvement de rotation alterné F d'un angle égal à
120°. En effet, cette rotation permet l'action des organes de coupe sur
360° mais n'altère pas la dissymétrie moyenne du jet de liquide sous
pression globale produit par la buse 62b. Plus généralement, si l'outil
comporte n organes de coupe 40, la rotation alternée devra correspondre
à un angle au moins égal à 360/n degrés pour assurer une coupe sur 360
degrés. L'angle de rotation alterné doit respecter la condition de
distribution moyenne dissymétrique du jet (ou des jets) de liquide sous
pression. Cet angle est donc nécessairement inférieur à 360 degrés.In the embodiment shown in FIGS. 3A and
3B, the drilling tool which bears the
En revanche, en dehors des phases de déviation de l'outil, on
peut imprimer à celui-ci un mouvement de rotation continu commandé par
la tête de forage 20. En effet, en moyenne, le jet unique produit par la
buse 62b occupe toutes les positions angulaires par rapport à l'axe X-X'
sur une rotation complète. On peut également provoquer des rotations
alternées de l'outil de plus ou moins 360 degrés.However, apart from the tool deflection phases, we
can give it a continuous rotation movement controlled by
the drilling head 20. In fact, on average, the single jet produced by the
Bien entendu le nombre de buses actives d'injection du liquide de forage pourrait être différent de un.Of course the number of active liquid injection nozzles drilling could be different from one.
Il suffit que le nombre de buses actives et leur disposition angulaire par rapport à l'axe longitudinal de l'outil fasse que les jets soient dissymétriques par rapport à cet axe.It suffices that the number of active nozzles and their arrangement angular with respect to the longitudinal axis of the tool causes the jets to be asymmetrical with respect to this axis.
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