Brevet FR2066895A1 — publié le 19710813

ta présente invention est relative à un appareillge destiné à prélever des échantillons ou carottes dans toutes les iormations géoloaSques, sur terre et en mer, notamment pour la recherche du pétrole ou des minéraux. Les dispositifs de ce genre, ou carottiers, actuellement connus sont mécaniques, c'est-à-dire que les fonctions de verrouillage, déverrouillage et obturation qui doivent être effectuées entre leur tube extérieur et leur tube intérieur sont commandées par des moyens mécaniques. Or, la majeure partie des incidents ou avaries auxquels ces carottiers connus sont fréquemment exposés proviennent précisément de ces organes mécaniques, appartenant à la tête du carottier. De plus, leur construction est compliquée et onéreuse Ils comportent en effet une cinquantaire de pièces toutes relativement complexes, devant être usinées, traitées et ajustées avec une grande précision. Ce-endant, beaucoup des organes de ces carottiers sont fragiles, du fait d leur faible section, et leur rupture malheureusement fréquente oblige à remonter le carottier tout entier, y cobTris le train de masses-tiges à l'extrémité duquel il est fixé, ou à l'abandonner en place. Enfin, l'obturation de la section annulaire ae passage de la boue de forage, nécessaire au foncticnnrent du carottier, était jusqu'à présent obtenue par écrasement d'une bague en caoutchouc sous l'action d'un piston. Cette bague était particulièrement exposée à des endommagements et à une usure rapide, son remplacement nécessitant le repêchage du carottier, long et fastidieux. Le mauvais fonctionnement de la bague obturatrice avait pour inconvénient, en laissant partiellement libre la section de passage de la boue de forage, dlentrainer le lavage de la carotte en cours de prélèvement, ce qui en modifiait la structure et risquait de la renare inutilisable en vue des informations qu'elle est destinée à fournir. La présente invention renlìéuie aux inconvénients des cabottiers connus, en substituant à leur commande purement mécanique une cofiande hydraulique. La construction -devient de ce fait beaucoup plus simple, le nombre des organes optrants est notable- ment diminué, le montage est simplifié, et toutes les pièces, de forme simple, sont par conséquent de fabrication économique et d'usure réduite. Une des difficultés principales auxquelles se heurtent les sondeurs, dans le carottage, est la récupération de la carotte dans les terrains non-homogènes et alternés La présente invention permet l'exécution- facile et efficace de ces opérations, essentiellement grace à deux dispositife qui seront ci-après décrit savoir une trousse avancée rétractaùle, -et des volets-piège doubleus ta trousse avancée rétractable permet la pénétration du carottier dans les formations géologiques non homogènes ou alternées, avant l'attaque de la couronne diamantée' conventionnelle Conformément à l'invention, elle s'efface contre l'action d'un ressort, lors de la rencontre de formations offrant une forte résistance à la pénétration Outre ce ressort qui tend à maintenir la trousse en position avancée, le carottier perfectionné suivant l'fr-ention comporte un dispositif de sécurité hydrauli- que qui, en exerçant sur la trousse une pression constante, tend à la maintenir en position d'attaque. tes volets-piège doubles permettent de carotter tous les terrains, durs et tendres en réservant libre dans le tube intérieur une section de passage maximalé pour la carotte. Ils empêchent efficacement sa perte, au cours de la remontée du carottier. Le carottier conforme à l'invention comporte encore, de préférence, un dispositif permettant de garnir le tube intérieur du carottier d'une gaine en matière plastique qui retiendra les échantillons prélevés, en vue de leur transport en laboratoire. Cette gaine empêchera efficacement tout bouleversement de l'ordre de rencontre des formations géologiques carottées0 D'autre part, des moyens appartenant au dispositif hydraulique permettent de le régler en onction de la densité de la boue de forage. Enfin, d'autres moyens de réglage sont prévus pour per- mettre de modifier la section annulaire de passage de la boue de forage en fonction de l'homogénéité des formations géologiques traversées au cours du carottage On évitera ainsi le lavage de la carotte par une quantité excessive de boue injectée, ce lava- ge entraînant par sa désagrégation les inconvénients déjà mentionnés. D'autres particularités et avantages du carottier hydraulique réalisé suivant l'invention ressortiront encore de la description qui sera donnée ci-après d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés, dans lesquels les figures lA et 1B représentent ensemble le carottier hydraulique, en coupe longitudinale la figure 2 est une vue de détail à plus grande échelle, montrant l'extrémité supérieure de la tête de ce carottier la figure 3 relorésente le dispositif de volets-piège doubles constituant l'une des particularités de l'invention, et la figure 4 représente la trousse avancée rétractable suivant l'invention, en position de saillie dans la partie supérieure de cette figure et en position effacée, dans sa partie inférieure De manière connue, le carottier comporte un tube extérieur 1 fixé au train des masses-tiges de sondage 2, et qui porte à son extrémité inférieure une couronne de carottage 3, par exemple diamantée. Ce tube extérieur fait fonction d'arbre de transmission entre la table de rotation de la sondeuse, qui se trouve en surface, et la couronne de carottage. A l'intérieur du tube i peut descendre et remonter le tube intérieur 4 destiné à recevoir la carotte. Au cours du forage, il transmet à la butée 5 les forces de réaction exercées sur celui-ci. A l'extrémité inférieure du tube extérieur 1, une bague de guidage 6 crénelée intérieurement assure le centrage du tube intérieur 4 sans frottements excessifs, tout en permettant le libre passage de la boue de forage jusqu'à la couronne 3. Suivant l'invention, le carottier est hydrauliquement commandé par l'intermédiaire d'une tête 10 qui travaille dans un chambrage il ménagé dans un inanchon-butée 12 porté par le tube extérieur 1, immédiatemen-v en amont de la butée 5 du tube intérieur. tes surfaces cooporantes de la tête 10 et du cnambrage il sont profilées de façon à modifier la section annulaire restant libre entre elles selon leur position axiale relative, suivant une loi prédéterminée. La tête 10 est vissée en 10' à l'extrémité haute du tube intérieur 4. Un jeu de rondelles de calage 13 interchangeables permet de modifier la position axiale relative entre la tête 10 et le chabrage il. De la même manière, un autre deu de rondelles 14 interchangeables est prévu entre l'extrémité inférieure de la tête du caro-ttier et un manchon 15 auquel est fixée l'extrémité supérieure du tube intérieur 4. Ces cales 14 permettent de modifier l'es pace annulaire existant entre la partie basse de l'extracteur 16 connu et l'alésage intérieur de la couronne 3, de :nanière à pouvoir régler le débit de la boue de forage, dans cette zone,de façon à ne pas désagréger la carotte sous l'effet d'une vitesse ou d'une pression exagérées de la boue de forage0 Doute tendance à la rotation -du tube intérieur 4 est empêchée par une butée à billes 17. A son extrémité supérieure, la tête 10 porte l'embout d'accrochage habituel--18 sur lequel viendra s'enclencher le dispositif de repêchage (oversaot) clssique, non représenté, destiné à la remontée du tube intérieur contenant la carotte, Conformément à l'in@ention, à l'extracteur 16 classique peut être substituée la trousse à ressort rétractable plus spé cialerent reprssentée dans la figure 4, où elle est désignée dans son ensemble par 200 Elle est repoussée vers l'extérieur par un ressort 21 interposé encre le corps tubulaire 22 de celle-ci et un manchon supérieur 23. Une douille Intérieure 24 assure le guidage de la trousse.L'extrémité inférieure de cette douille est chanfreinée comme indiqué en 25, pour créer une arête râclant la paroi interne du corps 22 et facilitant en outre l'introduction de la carotte dans le tube intérieur 4. La trousse 2C se termine a son extrémité inférieure en un embout d'attaque 26 de diamètre légèrement inférieur à celui du corps 22 et du tube intérieur 4 lui-meme, afin d'éviter le serrage de la carotte dans les pièces où elle pénètre. Il se termine lui aussi par une are te tranchante 27 attaquant le terrain avant la couronne 3, de manière à préformer la carotte0 Suivant l'invention encore, l'action du ressort 21 est renforcée par celle d'un dispositif hydraulique agissant sur la trousse dans le même sens que celui-ci0 A cette fin, et de manière très simple, le manchon supérieur 23 et le corps 22 de la trousse subissent par leurs surfaces d'extrémité annulaires l'action de la boue de forage, comme indiqué par les flèches da@@ 1. figure 40 Le manchon 23 solidaire du tube intérieur 4, qui subit lui-même à son extrémité supérieure l'action de la meme pression, n'est ".as de ce fait déplacé vers le haut, mais le corps 22 de la trousse 20 subit l'action d'une pression. hydraulique qui agit dans le même sens-que le ressort 210 Ainsi, on peut modifier, par la variation de la pres- sion de la boue de forage, la force avec laquelle cette trousse agit, et 1' instant auquel la couronne 3 viendra se substituer à elle, dans l'attaque du terrain. Un premier orbane de retenue de la carotte à l'inté- rieur de la trousse 2C est constitué, de manière connue, par un panier 28 fixé à l'intérieur de corps 22 de celle-ci. Ce panier comporte un certain nombre de lamelles élastiques 30 qui s'ouvrent au passage de la carotte, et tendent à reprendre ensuite leur position de fermeture à laquelle elles retiennent les particules libres de celles-ci, par exemple les sédiments. A l'action du panier 28 s'ajoute toutefois, suivant l'invention, celle du dispositif de volets-piège doubles représenté dans la figure 3. Ces volets 31, 32 sont montés dans un manchon 33 qui prolonge le tube intérieur 4 auquel il est vissé, et ils pivotent respectivement autour de deux axes d'articulation 34, 35 diamétralement opposés, et perpendiculaires à l'axe du dispositif. Comme le montre bien la figure 3, ils sont constitués chacun par une portion de tube cylindrique tronqué par deux plans obliques sur son axe, et parallèles aux pivots 34, 35. A leur position effacée, montréc en traits mixtes dans la figure 3, ils épousent étroitement la surface interne du manchon 33, et ne constituent donc pas un obstacle à la carotte, quand celle-ci les écarte en passant dans celui-ci. Si la carotte recule, ils tendent à se refermer. ta combinaison de deux volets 31, 32 opposés ou montés "tête-bêche", suivant l'invention, assure une retenue très efficace de la carotte, et la fermeture quasi-complète de la section du tube intéricur, derrière celle-ci. Le fonctionnement du dispositif décrit et représenté est le suivant, en se référant aux figures 1A, 1B et 2. Le carottier est descendu à l'intérieur du train de massestiges au moyen du dispositif de repêchage verrouillé sur l'embout 18. Il est arrivé en fin de course lorsque la tête 10 est venue reposer sur les créneaux 39 du manchon 12, par le chanfrein 5' de la butée 5. Le dispositif de repêchage est alors décroché et remonté en surface à l'aide de son câble. La rotation de la table de forage est transmise à la couronne diamantée 3 par l'intermédiaire du train de masses-tiges 2 et du tube extérieur 1, D'autre part, la pression de la boue de forage s'exer- ce sur la tête 10, qui se déplace axialement dans le manchon 12 à la manière d'un piston, repoussant ainsi vers le bas le tube intérieur 4 qui se termine par l'extracteur 160 En même temps, la section annulaire de passage entre tête et manchon varie. Cette section est réglable au moyen des rondelles 13 d'épaisseurs différentes et susceptibles d'être combinées de différentes fa çons0 ta butée à billes 17 s'oppose à la transmission ou couple de rotation jusqu'au tube intérieur 40 La couronne dianiantée 3 attaque la roche en formant la carotte, qui progresse à l'inté- rieur du dispositif en atteignant successivement l'extracteur 16, puis le tube intérieur 4. ta force d'appui est modifiée simplement par la pression et la consistance des diverses boues de forage utilises, cette force d'appui opérant pour exercer les mêmes fonctions que les dispositifs de verrouillage et de déverrouillage mécanique antérieurement utilisés, compliqués et fragiles. La boue de forage injectée dans le train de tiges, lors qu'elle parvient au niveau de la tête 10, emprunte l'espace annul aire existant entre cette dernière et la paroi profilée du manchon-butee 12, comme l'indique la flèche de la figure 2, pour parvenir dans Le chambrage 11. Elle passe ensuite dans les intervalles 38 existant entre les créneaux intérieurs 39 de guidage du manchon-butée 12, puis dans l'espace annulaire 40 libre entre le tube extérieur 1 et le tube intérieur 40 Arrivée dans la couronne 3, elle en sert par les orifices 41 ménagés dans celle-ci, en refroirissant et nettoyant cette couronne, Elle remonte ensuite par l'espace annulaire'existant entre les tubes extérieurs 1, 2 et la paroi du forage en entraînant avec elle les sédiments. Arrivée en surface, la boue est filtrée, reconditionnée, revient à la pompe et est réinjectée à l'intérieur des tiges. tors que la carotte remplit entièrement le tube intérieur, celui-ci a tendance à remonter, par réaction, la carotte jouant le rôle de pistion.La tete 10 se déplace donc dans le man- chon-butée 12 en un mouvement orienté de bas en haut, et 11 espace annulaire existant entre ces deux pièces- est ainsi étranglé, puis fermé,coupant ainsi l'injection de boue de forage* De ce faits sa pression s'élève brusquement en amcnt, indiquant au sondeur que le carottier est plein. Il est alors remonte au moyen du dispositif de repêchage se verrouillant sur l'organe d'accro cirage 18 de la tête 10. tins le cas où la carotte en cours de formation se coincerait dans le tube intérieur 4, la remontée de celui-ci, en provoquant la fermeture de l'espace annulaire, créerait une surpression en amont, laquelle agira à son tour sur la tête 10 pour dégager à nouveau la section de passage annulaire, en rétablissant ainsi le fonctionnement normal. le mode d'action de la trousse avancée rétractable 20, qui peut être montée à l'extrémité basse du tube intérieur 4 en lieu et place de la couronne diamantée normale 3, lorsque la nature des formations géologiques à carotter l'exige, et celui des volets-piège doubles 31, 32, ressort à l'évidence de la description qui en a été donnee plus haut, et n' pas à être répété icio De préférence, une gaine intérieure 50 constituée par exemple par un manchon de matière synthétique peut etre fixée par tous moyens libérables appropriés, non représentés, à l'extrémité basse du tube intérieur 4. Cette gaine recueille la carotte, facilite son extraction hors du tube ainsi que son transport jusqu'au laboratoire, sans aucun disque de dérangement de l'ordre des formations géologiques carottées. Bien entendu, on n'a décrit et représenté que des exemples de réalisation de l'invention, donnés à simple titre illustratif de celle-ci. Beaucoup de modifications constructives pourront être apportées à leurs différents organes, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Carottier pour travaux de forage, comportant de manière connue un tube extérieur tournant avec le train de masses-tiges et un tube intérieur non entraîné en rotation, recevant la carotte et susceptible d'être remonté à l'intérieur du tube extérieur et des masses-tiges au moyen d'un dispositif de repêchage connu, essentiellement caractérisé -sar le fait que ses organes opérants, et agissant de manière connue, sont commandés par des moyens hydrauliques0 20- Carotter hydraulique suivant la Revendication 1, caractérisé par le fait que ses moyens de commande hydraulique sont essentiellement constitués par une tête (10) dont e-st axialement solidaire le tube intérieur et p & un mahchon-butée (12) solidaire du tube extérieur et dans lequel cette tête peut se- déplacer à la manière d'un piston, sous l'action de la boue de forage injectée. 3.- Carottier hydraulique suivant la Revendication 2, caractérisé par le fait que les pareils latérales en regard de la tête (10) et du manchon (12) sont profilées de façon que la section annu laire de passage de la boue, entre ces deux éléments, varie suivant une loi prédéterminée. en fonction de la position axiale prise par la tête à l'intérieur du manchon, 40- Carottier hydraulique suivant l'une des Revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que la tête (10) comporte à son extrémité inférieure une surface annulaire de portée par laquelle elle vient reposer, en fin de course de descente, sur un siège du llan- clion, ce siège étant constitué par les surfaces d'extrémité supérieures de créneaux radiaux formées à la face intérieure du man chions 5.- Carottier hydraulique suivant l'une des Revendications 2-4, caractérisé par le le fait qu'une butée à billes (17) est interposée entre la tête (10) tournante et le tube intérieur (4), pour empêcher l'entraînement en rotation de ce tube. 6.- Carottier hydraulique suivant l'une des Revendications 2-5, caractérisé par le fait qu'un jeu de rondelles de calage (13) interchangeables et d'épaisseurs différentes est interposé entre le corps de la tête (10) et la surface annulaire inférieure de portée de cèlle-ci, pour modifier à volonté la position axiale relative ae la tête par rapport au manchon, et par conséquent la section annulaire de passaDe pour la boue de forage, et la loi de réponse du dispositif à la pression de la boue de forage. 7.- Carottier hydraulique suivant l'une des Revendieations 2-6, caractérisé par le fait que la tête (10) porte à son extrémité supérieure l'organe d'accrochage (18) conventionnel, destiné à l'enclenchement du dispositif de repêchage du carottier0 80- Carottier hydraulique suivant l'une des Revendications 2-7, caractérisé par le fait qu'un autre jeu de rondelles interchangeables et d'épaisseurs inégales (14) est également prévu en aval de la butée à billes (17) pour permettre de modifier à volonté la position axiale relative entre l'extrémité inférieure de l'extracteur (16) connu solidaire du tube intérieur (4) et l'alésage intérieur de la couronne diarnantée (3) solidaire du tube extérieur (1). 9.- Carottier hydraulique suivant la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une trousse rétractable (20) coaxiale à la tête diamantée (3) et susceptible d'être repoussée en position de saillie au delà de ladite tête, à la fois par l'action d'un ressort (21) et par la pression hydraulique de la boue de forage, s'exerçant sur la face annulaire d'extrémité supérieure du corps de ladite trousse, guidée sur un manchon (24) solidaire de l'extrémité inférieure du tube intérieur (4). 10.- Carottier hydraulique suivant la Revendication 9, caractérisé par le fait que la trousse (20) est constituée par des éléments intérieure cylindriques de section croissant depuis l'extrémité d'attaque de celle-ci. 11.- Carottier hydraulique suivant la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'entre l'extréllité inférieure du tube intérieur (4) et l'extracteur (16) sont disposé-s deux volets piège (31, 32) montés tête-bêche, pivotant autour des deux axes d'articulation (34, 35) diamétralement opposés et perpendiculaires à l'axe du dispositif, ces volets piège étant chacun constitué par une portion de tube cylindrique tronqué par deux plans obliques sur son axe, et parallèles à leurs pivots, lesdits volets, à leur position effacée, épousant étroitement la surface interne du manchon (24) dans lequel ils sont montés, et pouvant retomber par gravité a une position à laQuelle ils s'opposent à la chute de la carotte0