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CAROTTIER DOUBLE POUR FORAGE DEVIE
La présente invention est relative à un carottier double pour forage dévié.
L'intérêt des sondages en forage dévié réside dans la possibilité de prélever de nombreux échantillons à grande profondeur à partir d'un seul point de forage, à des endroits divers le long d'une nappe pétrolifère sensiblement horizontale. Ces sondages permettent l'investigation de la composition de la nappe et de son étendue.
Le document US-A-4467879 enseigne qu'un forage dévié s'obtient par la mise en oeuvre d'un ou de plusieurs manchons stabilisateurs montés le long d'un train de tiges. Le choix judicieux du type de manchon stabilisateur et des dimensions ainsi que leur répartition le long du train de tiges permet de régler et de contrôler l'angle d'inclinaison du forage comme décrit dans le document EP-A-0178709.
On sait aussi qu'un sondage en forage dévié peut être effectué à l'aide d'un carottier de sondage double tel que décrit dans le document BE-A-875.016.
Un tel carottier comprend un tube extérieur rotatif muni d'une couronne de sondage et un tube intérieur non rotatif muni d'un sabot et d'un ressort extracteur destiné à prélever une carotte de sondage.
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La réalisation classique d'un carottier double présente toutefois l'inconvénient de ne pas répondre aux exigences particulières imposées à un carottage dévié ou à un carottage horizontal. En effet, le tube intérieur du carottier double a, par construction, une paroi relativement mince afin d'extraire une carotte de section maximale. On s'aperçoit dès lors, qu'au cours d'un sondage en forage dévié, le tube intérieur d'un carottier double, qui présente une position inclinée ou horizontale lors du forage dévié, fléchit à l'intérieur du tube extérieur sous le poids de la carotte au cours du prélèvement.
Ce fléchissement du tube intérieur rend plus difficile la pénétration de la carotte dans le tube carottier et on observe fréquemment que la carotte se coince dans le tube carottier. Or, un tel coincement a pour effet immédiat que l'effort de poussée lors du forage, qui résulte du poids considérable de l'ensemble du train de tiges et qui normalement doit être transmis par les tubes extérieurs à la couronne de forage, est transmis intégralement au tube intérieur relativement mince du carottier, ce qui provoque naturellement la destruction immédiate du tube carottier intérieur et de la carotte.
Le fléchissement mentionné plus haut est aussi la cause de tensions dans le roulement à billes ou à aiguilles reliant le tube extérieur rotatif au tube intérieur fixe. Ce fléchissement fait apparaître des efforts de frottement entre la carotte et le tube intérieur et entre le tube intérieur et le tube extérieur. Ces frottements ont tendance à dégrader la rotation libre du tube extérieur par rapport au tube intérieur et à entraîner le tube intérieur en rota-
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tion en provoquant la rupture précoce du carottier. Le fléchissement du tube intérieur provoque une destruction partielle de l'échantillon prélevé par le carottier.
Un deuxième inconvénient des carottiers de sondage double classiques réside dans l'obstruction de l'entrée du tube intérieur au début du forage lorsque la carotte s'engage dans le carottier. Il arrive aussi qu'une obstruction se forme le long du tube intérieur pendant le forage. L'obstruction en cours d'opération est parfois due au fait que, dans certains types de roches friables formées de strates inclinées par rapport à la direction d'avancement du carottier, la carotte se fracture en lamelles qui s'appuient avec force contre les parois du carottier et obstruent celui-ci par coinçage. Le danger d'obstruction est d'autant plus grand que l'angle d'inclinaison des lamelles est important.
En forage vertical ou légèrement incliné, on se rend compte du blocage par la diminution très sensible de la vitesse d'avancement. On augmente alors le poids appliqué sur le train de tiges en veillant à ne pas provoquer le flambage intérieur du carottier ni la surchauffe du roulement, puisque tout le poids du train de tiges se répercute sur le tube intérieur.
En forage fortement incliné et a priori en forage horizontal, l'influence des efforts verticaux appliqués sur le train de forage est moins perceptible puisque ces efforts sont transmis par de nombreux points de contact le long de la paroi du puits et que seule une composante de force intervient.
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Un troisième inconvénient réside dans la difficulté d'assurer la concentricité parfaite du tube intérieur du carottier et du tube extérieur. Une solution assez évidente pour assurer la concentricité parfaite du tube intérieur et du tube extérieur serait de répartir, le long du tube intérieur, des paliers intermédiaires entre le tube intérieur et le tube extérieur. Des paliers intermédiaires classiques à roulement à billes n'ont jamais pu être mis en oeuvre dans un carottier double à tête ajustable parce qu'ils interdisent tout déplacement longitudinal du tube intérieur du carottier par rapport au tube extérieur. Or, un déplacement longitudinal est nécessaire pour le réglage de l'écartement entre le dispositif extracteur et la couronne de sondage.
Un quatrième inconvénient résultant de l'utilisation d'un carottier de sondage double classique dans un forage dévié est l'ouverture inopinée du dispositif d'obturation monté à la partie supérieure de tout tube intérieur d'un carottier double.
Il s'agit généralement d'un dispositif d'obturation à bille lancée généralement à partir de la surface du sol en vue d'obturer un siège du dispositif d'obturation. Dans un carottier double classique, la bille d'obturation est maintenue sur son siège, pendant l'opération de carottage, uniquement par son poids propre et par la pression exercée sur elle par le fluide de forage. Lorsque l'inclinaison du forage est forte, une interruption même brève de l'alimentation en fluide de forage peut éloigner la bille d'obturation de son siège et provoquer un jet de liquide à l'intérieur du carottier ledit jet
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entraînant la destruction accidentelle de la carotte et le déblaiement du carottier.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients susdits et propose un carottier spécialement adapté au forage dévié par la mise en oeuvre de moyens et d'accessoires qui renforcent la rigidité du tube intérieur du carottier, empêchent tout défaut d'obturation, et assurent sa concentricité et sa fiabilité.
Elle concerne un carottier double pour forage dévié comprenant, d'une part, un tube extérieur rotatif portant une couronne de sondage, et d'autre part, un tube intérieur non rotatif, portant à une première extrémité, voisine de la couronne de sondage, un dispositif d'extraction de carotte formé d'un ressort extracteur et d'un sabot conique, tandis que l'autre extrémité est solidarisée au tube extérieur au moyen d'un roulement à billes ou à aiguilles éventuellement réglable en hauteur le long dudit tube extérieur.
Suivant l'invention, ce carottier est caractérisé en ce que le roulement reliant le tube intérieur du carottier au tube extérieur est constitué d'un palier à roulements multiples à billes et/ou à aiguilles logées dans un boîtier étanche préalablement rempli d'huile ou de graisse ; le dispositif extracteur et la paroi intérieure du tube carottier sont recouverts d'un revêtement antifriction ; la paroi extérieure du tube intérieur comporte un jeu d'éléments de stabilisation répartis le long du tube intérieur entre celui-ci et le tube extérieur ; le sabot conique formant la partie inférieure du tube intérieur est centré dans la couronne de sondage par des nervures de centrage séparant les canaux d'écoulement ;
le sabot
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est muni d'une lèvre inférieure biseautée destinée à faciliter l'introduction de la carotte dans le tube intérieur, un dispositif d'obturation à bille apte à maintenir la bille sur son siège quelle que soit l'inclinaison du forage dévié.
Suivant un développement particulier de l'invention, le roulement à billes ou à aiguilles est constitué d'un palier à roulements multiples dont certains d'entre eux offrent quatre points d'appui. Le palier est constitué d'une bague portée par plusieurs séries de roulements à billes et/ou aiguilles réparties non seulement concentriquement autour de l'axe de rotation mais également axialement le long de l'axe à l'abri d'un un boîtier étanche contenant un bain d'huile ou de graisse.
Le dispositif d'extraction permet de retenir la carotte dans le tube intérieur. Il est constitué du ressort extracteur et du sabot conique. Le ressort extracteur est formé d'une bague fendue dont la face intérieure est recouverte d'un revêtement agrippant prenant appui sur le sabot conique qui présente un bord biseauté s'élargissant vers le bas, de manière à agrandir la section d'entrée du tube intérieur jusqu'à un diamètre voisin du diamètre intérieur de la couronne.
La concentricité du sabot conique supportant le dispositif d'extraction par rapport à la couronne est assurée par le sabot conique biseauté qui prend appui sur des nervures longitudinales de centrage, séparées l'une de l'autre par des canaux d'écoulement de fluide de forage.
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D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit, en référence aux dessins ci-annexés, dans lesquels : les figures 1A, 1B et 1C sont des coupes longitudinales de divers tronçons consécutifs disposés de bas en haut du carottier double selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale à plus grande échelle d'un palier à roulements multiples ; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale à plus grande échelle, d'une première forme de réalisation d'un dispositif d'obturation à bille ; les figures 4 à 6 illustrent les diverses phases de déplacement de la bille ;
- les figures 7 et 8 sont des vues en coupe longitu- dinale à plus grande échelle d'un indicateur de blocage occupant une position inférieure et une position supérieure, et les figures 9 et 10 sont, à plus grande échelle, une coupe longitudinale de la partie inférieure du carottier présentant des éléments de stabilisation et de l'extrémité inférieure du carottier.
Dans ces diverses figures, des mêmes signes de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
Comme illustré aux figures 1A, 1B et 1C, le
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carottier double pour forage dévié, selon l'invention, est constitué essentiellement d'un tube extérieur 1 et d'un tube intérieur 2. Le tube extérieur 1 est constitué d'un train de tiges creuses entraînant en rotation, une couronne de sondage 3. A une certaine distance de la couronne 3, le tube extérieur 1 comporte un corps 4 sur lequel est fixé un coussinet 10 d'un roulement 11 à billes ou à aiguilles.
Le tube intérieur 2 comprend principalement des éléments tubulaires vissés à la suite les uns des autres et disposés coaxialement au tube extérieur 1.
L'élément tubulaire inférieur du tube intérieur 2 porte un dispositif 9 d'extraction de carotte.
L'élément tubulaire supérieur du tube intérieur 2 est vissé à la partie non rotative 12 du roulement 11, laquelle est solidaire du tube carottier.
De manière connue en soi, la partie non rotative 12 du roulement 11 comporte un dispositif d'obturation 19 destiné à recevoir une bille 46 comme illustré dans les figures 3 à 6.
Le but de ce dispositif d'obturation est connu (voir le document BE-A-8700395). Au début du forage il est indispensable de faire passer le liquide de forage dans la direction des flèches X au travers du tube intérieur 2 en vue d'enlever les éboulis qui se sont accumulés dans le tube intérieur 2 et au fond du puits. Ce déblayage s'obtient en mettant en oeuvre le carottier entièrement ouvert, c'est-à-dire non encore muni de la bille d'obturation 46, de manière à permettre au liquide de forage de traverser la partie intérieure du tube intérieur 2.
Lorsque l'opération de déblayage du fond de puits
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est terminée, on dévie le flux de liquide de forage dans le sens des flèches Z vers l'extérieur du tube intérieur 2 à travers les ouvertures 52 dans un espace annulaire 47 entourant ce dernier, comme illustré dans la figure 5, en lançant librement à partir de la surface du sol, la bille 46 destinée à venir obturer un siège 48 prévu dans la partie non rotative 12 du roulement 11. Une première forme de réalisation du dispositif d'obturation spécialement adapté au carottier double pour forage dévié est illustrée dans la figure 3. Ce dispositif est constitué d'une corbeille métallique 49 sans fond évasée vers le haut. La paroi latérale de la corbeille 49 est formée de doigts recourbés 50 élastiquement déformables.
Ces doigts sont retenus par le bord supérieur 51 de la corbeille 49. Ils ont pour fonction de maintenir la bille sur son siège quelle que soit l'inclinaison du forage dévié.
La figure 3 illustre l'approche de la bille entraînée par le liquide de forage. Pour accélérer la descente de la bille 46 il est connu d'augmenter le débit du liquide de forage.
La figure 4 montre comment la bille franchit la corbeille par écartement des doigts grâce à l'inertie acquise par la bille 46. La résistance des doigts 50 à se déformer élastiquement freine la bille 46 et diminue l'impact de la bille 46 sur le siège 48.
Lorsqu'elle est appliquée sur le siège 48, la bille 46 obture le tube intérieur 2 (figure 5).
La forme recourbée des doigts 50 permet à la bille 46 de s'écarter dans une mesure limitée de son siège 48 de manière à permettre l'élimination de toute
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surpression dans le tube carottier par libération, dans le sens des flèches Y, du liquide de forage ou tout autre fluide emprisonné dans le tube intérieur 2 (figure 6).
La partie non rotative 12 du roulement à billes ou à aiguilles 11 est prolongée par des éléments de tube intérieur 2 de diamètre constant.
Le roulement 11 est constitué d'une série de bagues-paliers concentriques 7 logées dans un boîtier annulaire 21 étanche rempli d'huile ou de graisse 22 (figure 2). Les bagues-paliers concentriques 68 retiennent prisonnières entre elles des billes 69 et/ou aiguilles 50. La partie extérieure du boîtier 21 n'est donc pas entraînée en rotation. L'étanchéité du boîtier 21 est assurée par des chicanes 25 et par un joint d'étanchéité 26.
Une première forme de réalisation du carottier selon l'invention, pour forage dévié ou horizontal, est, dans son principe de fonctionnement, dérivé du carottier double décrit dans le brevet belge ? 875. 016. Le carottier comporte une tête ajustable dont on règle la position en déplaçant, par rotation, un manchon 13 de la partie supérieure du roulement 11 dans l'un ou l'autre sens, le long d'un taraudage 5 du corps 4 du tube extérieur 1. On parvient ainsi à corriger l'écartement entre le sabot conique 32 du ressort extracteur 8 et la couronne de sondage 3 (voir figure 10).
Ce réglage a pour but de compenser les différences de longueur des assemblages intérieur et extérieur dues aux tolérances de fabrication et à la dilatation thermique différentielle, en particulier lors de l'utilisation d'un tube intérieur 2 en
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aluminium ou en fibre de verre.
Lorsque l'écartement susdit atteint la valeur souhaitée on met en place une coiffe de blocage 18 afin d'empêcher tout déplacement relatif ultérieur entre le tube intérieur et le tube extérieur (figure 1C). La coiffe de blocage 18 présentant au moins un ergot 20 permet de bloquer angulairement la partie rotative 12 du roulement 11 à billes ou à aiguilles sur le corps 4 taraudé du tube extérieur 1 et empêcher ainsi la rotation relative de ces dernières l'une par rapport à l'autre autour de leur axe vertical commun, grâce à une paire de rainures longitudinales 17 diamétralement opposées du manchon 13 de la partie supérieure du roulement 11 et deux encoches 6 diamétralement opposées de l'alésage taraudé du corps 4 du tube extérieur 1 (voir BE-A-875.016)
Le corps 4 du tube extérieur 1 est monté sur le tube extérieur 1 par un joint 29 dit de sécurité,
constitué d'un filet simple de section carrée. De préférence, ce filet se défait dans le cas où le tube extérieur 1 est entraîné en rotation inverse en vue par exemple de débloquer une partie du carottier lorsque ce dernier est coincé.
L'extrémité opposée à celle de la coiffe 18 est appropriée pour servir au calage des bagues-paliers 7 et des roulements à quatre points d'appui susmentionnés.
En vue de prévenir le second inconvénient, le dispositif d'extraction 9 et la paroi intérieure 38 du tube intérieur 2 sont recouverts d'un revêtement anti-friction composé par exemple d'un film de té-
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flon. Toutefois, il arrive que malgré cette mesure de précaution, certains types de roche se clivent et se coincent à l'intérieur du tube intérieur 2 ou à l'entrée de celui-ci, entre le sabot conique 32 et la couronne de forage 3 du dispositif d'extraction 9.
Lorsque l'outil de forage ne progresse plus, tout le poids appliqué sur le tube extérieur 1 et sur la couronne 3 se répercute sur le tube intérieur 2.
Selon que le tube intérieur 2 est en fibre de verre ou en acier, le transfert vers le tube intérieur 2 des efforts appliqués sur le tube extérieur 1 lors du blocage du carottier, provoque soit le flambage du tube intérieur 2, soit la rupture de ce tube. En cas de blocage du carottier, le poids transféré sur le tube intérieur 2 est tellement considérable qu'on assiste parfois à l'écrasement du roulement 11, même si celui-ci est un roulement multiple. Or, la résistance à l'écrasement d'un roulement multiple 11 est de loin supérieur à celui d'un roulement simple puisqu'il permet de répartir sur plusieurs étages de billes ou d'aiguilles les efforts axiaux repris par le roulement.
La détérioration du roulement 11 entraîne inévitablement la destruction de la carotte puisque le tube intérieur 2 est alors inévitablement entraîné en rotation par le tube extérieur 1.
En forage horizontal, l'influence de l'effort appliqué sur le tube extérieur 1 et la couronne 3 est difficile à percevoir en raison du fait que seule une composante de l'effort vertical intervient. Des variations simultanées des nombreux paramètres et le nombre élevé de points de contact du tube extérieur 1 avec la paroi du puits en forage horizontal rendent la conduite du forage extrêmement difficile.
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L'opérateur s'aperçoit généralement trop tard que la vitesse d'avancement du forage a diminué. Lorsqu'il s'en aperçoit, l'équipement de sondage risque d'être déjà irrémédiablement abîmé.
La présente invention propose un moyen pour détecter le blocage du tube intérieur 2 à l'aide d'une indication manométrique fournie par un dispositif désigné dans son ensemble par le signe de référence 55. Il s'agit d'un indicateur de blocage monté en tête du tube intérieur 2. Comme illustré à la figure 1B, l'indicateur de blocage 55 comporte un manchon 56 débouchant dans un interstice 58 prévu entre le tube distributeur de débit 27 et une enveloppe déflectrice 59 qui facilite le passage du liquide de forage alimentant la zone inférieure du carottier afin de refroidir l'outil lors du carottage et d'évacuer les débris de forage.
L'enveloppe déflectrice 59 est fixée sur le tube distributeur 27 (voir figure 4). Elle est limitée par un bord biaisé 60 coopérant avec une arête biaisée 61 d'une protubérance du manchon 56 de manière à délimiter une fente annulaire 62 de largeur variableconstituant une restriction d'un canal annulaire de passage du liquide de forage, lors d'un déplacement axial du manchon 56 par rapport à l'enveloppe déflectrice 59 qui l'entoure. Cette restriction permet de provoquer une augmentation de pression pouvant être lue sur un manomètre en surface par un opérateur.
En cas de blocage, le tube intérieur carottier 2 a tendance à remonter à l'intérieur du tube extérieur 1 en même temps que la carotte, alors que le tube extérieur 1 ne peut plus progresser dans sa
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descente (figures 7 et 8).
Le tube intérieur 2 du carottier entraîne alors vers le haut une bague de suspension sur laquelle prend appui un ressort 63 composé de rondelles de Belleville 64 permettant au tube intérieur une certaine liberté de coulissement limitée vers le bas par les butées 65. Le ressort à peine écrasé pousse le manchon vers le haut contre les butées 66 et engage une arête biaisée 61 du manchon 56 dans l'interstice annulaire 58 de manière à restreindre la section de la fente annulaire 62.
L'augmentation de pression, qui résulte de cette restriction et qui est lue sur le manomètre informe l'opérateur d'un blocage éventuel de la carotte dans le tube intérieur 2.
Le tube intérieur comporte un jeu d'éléments de stabilisation 67 répartis le long du tube intérieur 2 entre celui-ci et le tube extérieur 1. Ce jeu d'éléments de stabilisation 67 permet de centrer correctement le tube intérieur 2 dans le tube extérieur 1 éventuellement muni lui aussi d'éléments stabilisateurs 35 et, lorsque le carottier est en position horizontale, il réduit le fléchissement du tube intérieur 2 sous l'effet de son propre poids et de celui de la carotte (figure 9). Ces éléments de stabilisation 67 constituent des paliers intermédiaires à friction lisse prenant appui sur la paroi intérieure du tube extérieur 1.
Les éléments de stabilisation 67 n'empêchent nullement le réglage de l'écartement entre les extrémités inférieures du sabot conique 32 et de la couronne de sondage 3, puisqu'ils peuvent coulisser longitudinalement le
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long de la paroi intérieure de diamètre constant du tube extérieur 1.
Dans une forme de réalisation préférée, illustrée dans la figure 9, chaque jeu d'éléments de stabilisation 67 porte une bague 28 en matériau autolubrifiant prenant appui contre la paroi intérieure du tube extérieur 1. Lors du réglage de l'écartement du sabot conique 32 et de la couronne 3, la bague autolubrifiante 28 peut coulisser le long du tube extérieur 1.
Les éléments de stabilisation 67 contribuent à maintenir la rectitude du tube intérieur 2, dont une extrémité peut être considérée comme étant encastrée, en rotation libre, dans le tube extérieur 1 au moyen du roulement à billes ou à aiguilles 11 formée d'un palier à roulements multiples à quatre points d'appui par exemple. Ces quatre points d'appuis contribuent à rendre rigide le tube intérieur 2 en empêchant son fléchissement.
En prévenant tout excès de tension dans le roulement à billes ou à aiguilles, les éléments de stabilisation 67 réduisent les efforts de frottement dans le roulement 11 et éliminent les risques d'entraînement en rotation du tube intérieur 2, laquelle rotation entraînerait la destruction de la carotte.
La bague autolubrifiante a le même rôle. Elle prévient les efforts de torsion sur le tube intérieur 2.
La partie inférieure du tube intérieur 2, formée du sabot conique 32, est centrée dans la couronne de
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sondage 3 par des nervures de centrage 34 séparant les canaux d'écoulement 33 (figure 10).
Le sabot 32 est prolongé par une lèvre inférieure 14 guidant le liquide de forage longitudinalement par rapport à la couronne. La lèvre 14 est biseautée et évasée vers le bas de manière à faciliter l'introduction de la carotte dans le tube intérieur 2. La paroi latérale extérieure 39 du sabot conique 32 est recouverte d'un revêtement anti-friction destiné à empêcher la mise en rotation du tube intérieur 2 par la couronne 3. Les formes conjuguées de la paroi latérale extérieure du sabot conique 32 et de la face intérieure de la couronne 3 guident le liquide de forage parallèlement à l'axe de la carotte.
Le ressort extracteur 8 (figure 10) est formé d'une bague fendue dont la face intérieure est recouverte d'un revêtement agrippant 36. En fin de carottage, la bague se referme sur la carotte par effet de cône, en prenant appui sur le sabot conique 32 lorsqu'on retire le tube intérieur 2. Le dispositif d'extraction permet de casser la carotte et de retenir l'échantillon dans le tube intérieur pendant qu'on remonte le tube intérieur 2 à la surface du sol.
Le carottier selon l'invention a le mérite de rendre possible la réalisation d'un sondage horizontal qui a l'avantage de permettre de déterminer correctement l'étendue d'un gisement pétrolier constitué de nappes pétrolifères de grande étendue mais de faible hauteur, là où un sondage vertical ne procurerait que des résultats de prospection sommaires et nettement insuffisants pour donner une estimation
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correcte de la rentabilité de l'exploitation éventuelle d'un gisement.
Un sondage horizontal présente aussi l'avantage majeur d'accélérer l'extraction du pétrole et d'augmenter le débit de pétrole pouvant accéder au tube d'extraction dans un gisement pétrolier horizontal puisqu'il permet de prélever, par un grand nombre d'orifices distincts répartis le long de la nappe pétrolifère, le pétrole brut que recèle la nappe. On améliore ainsi nettement la rentabilité de l'exploitation d'un gisement horizontal puisqu'on évite que le pétrole ne doive migrer sur des distances importantes au travers de couches de terrain suffisamment perméables avant de parvenir au voisinage immédiat du tube d'extraction, comme cela pourrait être le cas dans un sondage vertical.