Recherche sur les outils permettant d'accroître la vitesse de forage

Actuellement, les outils d'augmentation de la vitesse de forage se divisent principalement en deux catégories : les outils mécaniques et les outils hydrauliques. Les outils mécaniques utilisent le poids sur l'outil (WOB) pour générer une force d'impact, ce qui améliore efficacement le fracturation des roches dans les formations dures. Cependant, ils présentent des inconvénients tels que de fortes vibrations, une consommation d'énergie élevée et une usure prématurée due à la fatigue. Les outils hydrauliques utilisent un fluide de forage pour actionner des marteaux à percussion, combinant impact, rotation et jet d'air pour fracturer la roche. Ils offrent des avantages significatifs en termes d'augmentation de la vitesse de pénétration (ROP), de contrôle de la déviation du puits et d'allongement de la durée de vie de l'outil. Toutefois, ils souffrent généralement d'une fréquence d'impact unique et d'une difficulté d'adaptation aux spécificités des différentes formations.

La technologie de forage à percussion se divise principalement en trois catégories selon son mode d'action : la percussion torsionnelle, la percussion axiale et la percussion composite axiale-torsionnelle. Le principe du forage à percussion, visant à accroître la vitesse de forage, repose sur la conversion de l'énergie de pression d'un gaz ou d'un liquide en énergie mécanique de percussion axiale ou torsionnelle grâce à un percuteur. Cette énergie est directement appliquée à l'extrémité arrière du trépan, améliorant ainsi les conditions de coupe et augmentant l'efficacité de forage.

Le forage par impact de torsion est une technologie émergente de ces dernières années permettant d'accroître la vitesse de forage. Elle est principalement utilisée pour résoudre le problème des vibrations de type « stick-slip » générées par les trépans PDC. Lors de son utilisation, un impacteur de torsion est installé à l'extrémité arrière du trépan. Grâce à sa conception interne, il convertit l'énergie hydraulique du fluide en énergie mécanique d'impact de torsion. Le trépan perfore la roche sous l'action combinée du couple permanent de la garniture de forage et du couple d'impact généré par l'impacteur.

Les exemples suivants présentent deux outils innovants

1. Outil d'augmentation de la vitesse de perçage avec fréquence d'impact réglable

L'outil d'augmentation de vitesse de forage hydraulique à fréquence réglable possède une structure d'impact centrale composée de roulements, d'un corps d'arbre inférieur, de paires de pistons, d'un marteau d'impact, d'une buse d'étranglement et d'autres composants.

Principe de fonctionnement :Cet outil exploite la différence de pression périodique créée par le fluide de forage dans les chambres supérieure et inférieure du marteau perforateur pour actionner ce dernier et générer un mouvement de va-et-vient à grande vitesse. Cette force d'impact axiale est directement transmise au trépan pour faciliter le fracturation de la roche. Son principal atout réside dans la possibilité d'ajuster la fréquence d'impact en modifiant le nombre d'orifices symétriques dans le corps inférieur de l'arbre, permettant ainsi une adaptation aux spécificités de forage des différentes formations.

Application d'un outil d'augmentation de la vitesse de perçage à fréquence d'impact réglable

Essai sur le terrain en formation moyennement dure : Cet outil a été testé dans le puits X1 du champ pétrolier de Xinjiang, après avoir déterminé la fréquence d’impact optimale (16 Hz) par simulation numérique. Dans la section de formation caractérisée par une forte abrasivité et une faible vitesse de pénétration (ROP), la comparaison avec un puits adjacent foré avec un outil de forage à vis montre qu’après utilisation de cet outil, la longueur de forage en une seule passe a augmenté de 53 % et la ROP mécanique de 27,0 %, réduisant ainsi le nombre de manœuvres et la durée du forage.

Essai sur le terrain en formation dure : Selon la fréquence d'impact optimale (18 Hz) sélectionnée par simulation numérique, cet outil a été testé dans les formations d'andésite carbonifère et de basalte avec une faible forabilité dans le puits X3 du champ pétrolier de Xinjiang.

Conclusion : Les résultats montrent qu’après l’utilisation de cet outil, le taux de pénétration mécanique est augmenté de manière significative de 103,2 % par rapport aux puits adjacents, ce qui prouve efficacement qu’il peut améliorer considérablement l’efficacité du forage et raccourcir le cycle de forage dans différentes formations.

2. Conception d'un outil composite d'augmentation de la vitesse de perçage par impact

Un mécanisme d'impact de torsion hydraulique est conçu, dont le noyau se compose de trois parties : un mécanisme de distribution de flux, un mécanisme d'inversion et un mécanisme d'impact.

Processus de fonctionnement : Initialement (état a), le fluide haute pression pénètre dans la cavité gauche du marteau hydraulique par le canal d'écoulement gauche du noyau de la vanne d'inversion, entraînant la rotation simultanée du marteau et du noyau dans le sens horaire jusqu'à l'impact du marteau sur son siège (état b). Après l'impact, le fluide haute pression pénètre dans la cavité droite formée par le marteau et le noyau par le canal de commande droit, poussant ce dernier à poursuivre sa rotation horaire jusqu'à la position d'inversion (état c). Le fluide haute pression bascule alors vers le canal d'écoulement droit et pénètre dans la cavité droite du marteau, entraînant la rotation du marteau et du noyau dans le sens antihoraire (état c). Lorsque le marteau percute à nouveau son siège (état d), le fluide haute pression pénètre dans la cavité gauche par le canal de commande gauche, poussant le noyau à tourner dans le sens antihoraire pour inverser le mouvement et revenir à l'état initial (état a). Ce cycle se répète, générant un impact torsionnel alternatif à haute fréquence par inversion et impact continus.

Principe de fonctionnement :Après son passage dans le manchon de distribution par le joint supérieur et le tube guide, le fluide (boue) est acheminé vers le mécanisme d'inversion et le mécanisme d'impact. La plaque de distribution sépare les deux flux de fluide. Ce dernier traverse ensuite la buse située à l'intérieur du mandrin, créant ainsi des zones de haute et de basse pression en amont et en aval. Sous l'effet de la différence de pression, le noyau de la vanne d'inversion pivote, reliant alternativement les cavités gauche et droite du marteau hydraulique aux zones de haute et de basse pression. Le marteau hydraulique effectue alors un mouvement de va-et-vient pour frapper son siège, générant ainsi un impact torsionnel alternatif à haute fréquence.

1-Sous-ensemble supérieur ; 2-Boîtier extérieur ; 3-Tuyau de guidage ; 4-Manchon de distribution de débit ; 5-Plaque de distribution de débit ; 6-Boulon ; 7-Anneau de support supérieur ; 8-Siège de marteau hydraulique ; 9-Marteau hydraulique ; 10-Noyau de vanne d'inversion ; 11-Anneau de support inférieur ; 12-Mandrin ; 13-Sous-ensemble inférieur ;

Schéma de la structure du mécanisme d'impact de torsion

Processus de mouvement du mécanisme d'impact torsionnel

Un mécanisme d'impact axial a été conçu. Les impacteurs axiaux hydrauliques se divisent principalement en deux catégories : à soupape et sans soupape. La structure interne des impacteurs à soupape est complexe et leur fiabilité est faible ; les impacteurs sans soupape comprennent principalement les modèles à jet et à jet-aspiration, le premier ayant une durée de vie réduite. L'impacteur hydraulique à jet-aspiration, de structure simple, réalise l'impact grâce à l'entraînement du jet et à l'effet d'oscillation du coup de bélier, comporte peu de pièces mobiles internes et aucune pièce vulnérable, et s'adapte mieux aux conditions complexes de fond de puits.

1-Siège de buse supérieur ; 2-Buse supérieure ; 3-Soupape supérieure ; 4-Manchon de soupape supérieure ; 5-Buse secondaire ; 6-Boîtier extérieur axial ; 7-Manchon de support ; 8-Marteau d'impact ; 9-Tête de marteau ; 10-Siège de marteau ; 11-Capuchon de protection ; 12-Joint hexagonal Principe de fonctionnement du mécanisme d'impact axial.

Formation du flux initial et de la différence de pression : Le fluide à haute pression forme un jet à grande vitesse à travers la buse supérieure. Sous l’effet combiné de l’entraînement du jet et de l’étranglement, des différences de pression se forment dans les chambres supérieure et inférieure de la soupape supérieure, ainsi qu’entre la chambre supérieure externe du marteau d’impact et l’extrémité inférieure de la tête du marteau.

Mouvement ascendant des composants et étanchéité du canal d'écoulement : entraînée par leurs différences de pression respectives, la soupape supérieure se déplace vers le haut, et les composants d'impact (buse secondaire, marteau d'impact et tête de marteau) se déplacent également vers le haut jusqu'à ce que la buse secondaire entre en contact avec la soupape supérieure et scelle le canal d'écoulement.

Génération du coup de bélier et mouvement conjoint vers le bas : la fermeture instantanée du canal d’écoulement déclenche une oscillation de coup de bélier, et la pression dans la chambre augmente brusquement, poussant la soupape supérieure et les composants d’impact à accélérer ensemble vers le bas.

Impact inertiel et reprise du cycle : Une fois la vanne supérieure descendue en position basse, les composants d’impact continuent leur mouvement vers le bas par inertie et percutent finalement le siège du marteau pour achever l’impact axial. Après l’impact, le canal d’écoulement retrouve sa fluidité initiale et le mécanisme se réinitialise sous l’effet du poids sur l’outil (WOB), amorçant ainsi un nouveau cycle.

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