Brevet FR2088175A1 — publié le 19720107

La présente invention a pour obiet un amortisseur pour train ie tiges de forage comprenant un corps tubulaire destiné à être intercale dans le train de tiges à proximité du trépan. Un mandrin tubulaire est monté coulissant dans le corps et pend de ce dernier pour l'assemblage au trépan, et porte deux éléments d'étanchéité qui délimitent une chambre fermée à l'intérieur du corps. Cette chambre contient un fluide non compressible et comporte intérieurement un clapet anti-retour intercalé entre les éléments d'étant cneité pour limiter l'écoulement du fluide lors des translations alternatives du mandrin par rapport au corps et pour amortir par ce moyen le déplacement du mandrin.Des orifices d'écoulement traversent axialement le clapet, certains des orifices comportant des clapets destinés à empêcher le liquide de les traverser de bas en haut de manière que la course relative ascendante du mandrin soit plus lente que sa course descendante. Les autres orifices sont munis d'organes d'étranglement réglables de manière à permettre de régler l'écoulement du liquide à travers ces orifices en fonction de la rapidité que l'on désire obtenir pour les translations ascendantes et descendantes du mandrin par rapport au corps. La surface externe du mandrin présente des gorges longitudinales de grande longueur destinées à recevoir des billes de portée montées dans le corps afin de transmettre les mouvements de rotation au mandrin sans gêner la translation longitudinale alternative relative de ce mandrin. I1 est évident que l'amortisseur accrott le rendement du forage en prolongeant la durée utile du trépan, ce qui permet de réaliser des économies sur le cott du trépan et du forage ainsi qu'en accroissant la valeur résiduelle des trépans diamantés. Le trépan est en outre maintenu en contact avec le fond du trou de forage, de manière à éviter les détériorations du trépan du type a percussion, grace aux mouvements de retrait et d'extension de l'amortisseur, ce qui réduit également les phénomènes de fatigue et de cristallisation, du manchon et des autres éléments du train de tiges de façon à prolonger la durée utile de ces eléments.L'amortisseur maintient un poids constant sur le trépan, en permettant à ce trépan de décrire une translation alternative limitée par rapport au train de tiges et en évitant que le trépan ne reste suspendu audessus du fond du trou et qu'il n'en résulte une détérioration par martelage de ce trépan aussi bien que du reste du train de tiges. Ceci est partieulièrement important lorsque le train de tiges est suspendu à un navire ou à une autre plate-forme flottante pendant un forage sous-marin dans lequel le train de tige subit des mol- vements de translation longitudinale alternative, qui sont dus aux mouvements ondulatoires de la mer. Naturellement amortisseux amortie le mouvement de son mandrin par rapport à son corps, lors que le trépan heurte une formation dure3 toutefois, l'amortisseur est principalement destiné à amortir le mouvement @@ corps par rapport au mandrin lorsque le train de tiges est soumis à l'action es vagues pendant lm forage sous-marin D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa raieront au cors de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif et nullement limitatif une forme de réalisation conforme à Sur ces dessins. la figure 1 est une vue en élévation de cet d'un @mortisseur suivant l'invention intercalé dans un train de tiges au-dessus tu manchon porte-trépan et du trépan, et en position d'extension par Vielle; les figures 2, 2-A et P-B sont des vues en coupe Qongitudina- le à échelle agrandie de l'amortisseur et du train de tiges, l'amortisseur étant représenté en position entièrement rétraetée; la figure 3 est une vue en coupe transversale vertica?e rise selon la ligne 3-3 de la figure 5 et représentant deux de orpsrs 'étranglement réglables;; les figures 4 et 5 sont des vues en coupe horizontale à plus grande échelle prises selon les lignes 4-4 et 5-5 de la figure 2-A, la figure 5 est une vue en coupe horizontale à la même échelle que les figures 4 et 5 et prise selon la ligne 6-6 de la figure 2-B, la figure 7 est une vue en perspective de l'une des cague de poussés de l'un des éléments d'étanchéité de l'amortisseur, eette bague de poussée étant supposee en position cuverte; la figure 8 est une vue en coupe horizontale à plus grande échelle prise selon la ligne 8-8 de la figure 2-A et montrant l'un des clapets en position de fermeture;; la figure 9 est une vue en coupe verticale à plus grande échelle, prise suivant la ligne 9-9 de la figure 8 la figure 10 est une vue analogue à la figure 9 et montrant le clapet en position d'ouverture; la figure 11 est une vue en perspective de l'un des éléments @'étanchéité; la figure 12 est une vue en plan de l'élément d'étanchéité; la figure 13 est une vue à plus grande échelle en coupe ver icale prise suivant la ligne 13-13 de la figure 12; les figures 14 et 14-A sont des vues en coupe longitudinale ae l'amortisseur et du train de tiges qui montrent l'amortisseur en position d'extension complète. Sur les dessins, on a représenté en 1 un amortisseur conforme à l'invention et intercalé dans un train de tiges 2 pour forage pétrolier au-dessus du manchon porte-trépan/et du trépan 4. Bien qu'on ne l'ait pas indiqué, il est évident que le train de sigles 2 peut être du type pour forages sous-marins et qu'il peut se prolonger vers le haut jusqu'à une plate-forme ou un navire de forage, comme indiqué dans le brevet des Etats Unis d'Amérique no 3.319.726. En outre, pour simplifier le dessin, on a omis de représenter l'habituel tubage du puits. L'amortisseur 1 comprend un élément ou cylindre tubulaire supérieur 5 de grande longueur, un élément ou cylindre tubulaire inférieur 6, et un mandrin tubu allongé laire/7, qui est engagé télescopiquement sensiblement dans toute la longueur de la cavité intérieure des cylindres et qui comporte une tête 8 de plus grand diamètre, solidaire de son extrémité inférieure, les cylindres coopérant entre eux pour former un corps. L'extrémité supérieure du cylindre supérieur 5 porte une collerette d'emboîtement 9, de plus grand diamètre, destinée à être assemblée par un filetage à la tige extrême inférieure 10 du train de tiges 2 (voir figure 2) et les extrémités jointives des cylindres sont filetées intérieurement pour pouvoir être assemblées au moyen d'une fourrure 1l filetée extérieurement (figures 2-A et 3) qui forme le corps tubulaire d'un clapet 12. La tête 8 porte sur son extrémité inférieure un prolongement de plus petit diamètre qui est vissé l'a représenté en 13 sur la figure 2-B et, elle est maintenue espacée du cylindre inférieur 6 par une collerette extérieure 14 de l'extrémité inférieure d'une fourrure 15 qui est fixée dans l'extrémité inférieure du cylindre. Une couronne de crabots ou dents 16 régulièrement espacés fait saillie vers le bas sur la conlerette 14 de la fourrure 15 pour coopérer avec des crabots analogues qui font saillie de bas en haut sur la tête (figure 5) pour permettre l'établissement d'une prise directe entre la tête et le cylindre inférieur lorsque l'amortisseur est entièrement rétracté (figures 2, 2-A et 2-B). Le diamètre intérieur du cylindre inférieur 6 est plus grand que le diamètre extérieur du mandrin 7 pour recevoir la fourrure 15 à son extrémité inférieure et le clapet 12 à son extrémité supérieure, le mandrin coulissant à travers la fourrure et le clapet. Entre le clapet et la fourrure, le mandrin présente une gorge ex intérieure qui donne naissance à des épaulements 18 opposés entre eux et servant de butées pour retenir un élément d'étanchéité 19 lequel établit un joint étanche entre le cylindre inférieur et le mandrin (figure 2-A). L'élément d'étanchéité 19 comprend un manchon cylindrique 20 d 'une matière de bourrage constituée par une matière élastique appropriée et qui est retenue verticalement entre des bagues de butée 21 Ainsi qu'on peut mieux le voir sur les figures 11 à 13, le manchon de bourrage 20 présente dans ses extrémités supérieure et inférieure des gorges annulaires 22 à section en V destinées à recevoir les surfaces adjacentes complémentaires 23 (figure 7) des bagues de butée 21.Chacune de ces bagues est construite en deux pièces qui sont articulées en 24 et qui peuvent être maintenues en position fermée par un téton 25 et un trou 26 coopérant entre eux. Les surfaces internes et externes du manchon de bourrage présentent des fentes radiales inclinées 27 espacées les unes des autres, qui augmentent la flexibilité du manchon. Un élément d'étanchéité identique 28, qui comprend un manchon de bourrage 29 et des bagues de butée 30 est maintenu sur la partie extrême supérieure du mandrin 7 entre un épaulement sous-jacent 31 et des écrous 32 et 33 qui le surmontent et qui sont vissés sur l'extrémité supérieur du mandrin (figure 2).Le cylindre supérieuriprésente dans son extrémité supérieure un contre-alésage 34 de diamètre supérieur à celui du mandrin et destiné à recevoir l'élément d'étanchéité 28 qui établit un joint étanche autour du mandrin. En outre, l'extrémité inférieure du cylindre supérieur présente un contre-alésage analogue 35 pour recevoir le clapet 12. Entre les contre-alésages 34 et 35, le cylindre supérieur présente un alésage 36 de diamètre légèrement supérieur à celui du mandrin 7, pour établir une libre communication entre lés deux contre-alésa ges ainsi qu'avec la partie de la cavité intérieure du cylindre inférieur 6 qui se trouve au-dessus ae l'élément d'étanchéité 19. L'alésage, les contre-alésages et la cavité interieure du cylindre inférieur constituent ensemble une chambre propre à contenir un fluide non compressible destine à amortir le mouvement télescopique du mandrin par rapport aux cylindres. Le clapet 12 est approprié pour commander ie passage du fluide entre la cavité intérieure du cylindre inférieur 6 et le contre-alésage 34 du cylindre supérieur 5, travers le contre-alésage 35 et l'alésage 36 du cylindre supérieur, et il comporte des orifices 37 (figures 2-A) et 38 (figure 3) qui traversent axialement le corps 11 du clapet. Ces orifices sont de préférence régulièrement répartis, les orifices 37 étant en alternance par rapport aux orifices 38. Au-dessous de chaque orifice 37, l'extrémité inférieure du corps du clapet est échancrée pour donner naissance à une cavité 39 relativement grande et destinée à recevoir une plaquette obtu- ratrice 40 qui est approprié pour s'appuyer contre l'extrémité inférieure de cet orifice et fermer ce dernier, comme représenté sur les figures 8 à 10. Chaque plaquette 40 est de forme circulaire et l'extrémité inférieure de chaque orifice 37 est élargie pour former un siège 41 complémentaire de la plaquette. Deux pattes percées parallèles 42 font saillie latéralement sur la périphérie de chaque plaquette du clapet pour recevoir un axe d'articulation 43 qui s'étend transversalement au corps 11 du clapet et qui est convenablement tourillonné dans ce corps.L'axe 47 porte un ,es- sort 44 qui est intercalé entre les Dattes 42 et tend à appliquer la plaquette 40 sur le siège 41, le corps du clapet présentant une cavité 45 pour recevoir les pattes et le ressort Il est visible Que, du fait de cet agencement, le liquide ne pet pas traverser les orifices 37 de bas en haut lorsque le inandrrni 7 s'élève par rapport aux cylindres 5 et 6, tandis que ces orifices laissent passer le fluide dans le selis descendant lorsque le mandrin descend par rapport au cylindre. L'écoulement à travers les crifices 58 est réglé par des éléments ou chevilles d'étranglement 46 (Figures 3 et 5) qui sont montées dans des trous radiaux elignés 47 et 48 du cylindre supé @ rieur et du corps ll du elapet respeetivement pour s'enfoncer dans lesdits orifices. Les trous 47 du cylindre sont filetés pour coopérer avec les parties extérieures filetées 49 des chevilles 46. Chaque cheville porte à son extrémité interne une tête hémisphérique 50 de diamètre sensiblement égal à celui den erifices, de sorte que l'on peut ainsi faire varier la section effective d'e- coulement de ces orifices entre l'ouverture totale et 1 fermeture sensiblement totale en vissant ou en dévissant des chevilles d'étranglement.Il est évident que 12 vitesse de la translation alternative du mandrin 7 est commandée par le débit de l'écoule- ment passant Bar les orifices 37 et t8 l le mouvement ascendant étant beaucoup plus lent que le mouvement descendant en raison de la fermeture des orifices 37 par les plaquettes 40 de sorte que, pendant ce mouvement ascdendant, le fluide ne peut s'élever qu'en traversant les orifices 38. la surface cylindrique intérieure du corps du clapet porte des éléments d'étanchéité approprié 51 qui peuvent être constitués par des bagues toriques pour établir un joint étanche autour du mandrin ainsi qu'on peut mieux ie voir sur les Figures 5 et 8. Pour permettre d'imprimer un mouvement de rotation au mandrin 7 sans faire obstacle à son mouvement de translation alternative, le mandrin est monté coulissant dans le cylindre supérieur 5 au moyen de billes de portée 52. Ainsi qu'on l'a représenté sur les figures 2-A et 4, la surface externe du mandrin présente des rainures longitudinales 53 qui constituent des chemins de roulement pour les billes 52 et qui sont réparties à intervalles réguliers. Ta surface porte de préférence quatre rainures de sorte rue ces rar-- ores et leurs billes de portée respectives sont disposée@ par pai- res d'éléments diamétralement opposés.On a constaté que deux groupes ou jeux espacés de billes de portée sont suffisant s cl peut évidemment utiliser un plus grand nombre de groupes 1 Des trous radiaux 54 traversent la paroi du cylindre supérieur pour permettre d'engager des billes de portée 52 dans les rainures 53, et les parties externes 55 de ces trous sont élarggies et flletées pour recevoir des bouchons complémentaires 56 su retiennent le billes. La figure 4 montre que l'extrémité intérieure de chauqe bouchon 56 présente une cavité hémisphérique 57 qui est somplémen tire de la a forme d'une bille de portée pour servir d'appui à cette bille. Il est visible que les billes de portée permsttent au mandrin de décrire son mouvement de translation alternative et qu'elles transmettent la rotation du cylindre supérieur au mandrin. En outre, on remarquera que les rainures 53 sont d'une longueur suffisante pour permettre la translation alternative du mandrin. En fonctionnement, l'amortisseur 1 est normalement en position d'extension complète comme représenté sur les figures 14 et 14-A, l'élément d'étanchéité inférieur 19 se trouvant dans la par ie inférieure du cylindre inférieur 6, à proximité de la fourrure 15, de sorte qu'une partie appréciable du mandrin 7 pend audessous du cylindre et place la t8te/2u mandrin à une distance considérable de cette fourrure0 En outre, l'élément d'étanchéité supérieur 28 est contenu dans la partie inférieure du contre passage 34 du cylindre supérieur 5 de sorte que la majeure partie lu fluide contenu dans cette chambre, qui est constitué par ce contre-alésage en coopération avec le contre-alésage 35, l'alésage 36 et la cavité intérieure du cylindre inférieur, se trouve audessous du clapet 12. Etant donné que les plaquettes 40 du clapet sont maintenues fermées par les ressorts 43, une grande résistance s'oppose au mouvement ascendant du mandrin parce que le fluide ne peut s'élever qu'à travers les orifices 38. Ainsi qu'on l'-a indiqué plus haut, on peut augmenter la résistance à l'écoulement en vissant plus profondément les chevilles d'étranglement 46 de manière à réduire la section effective de passage des orifices 38. Lorsque le trépan heurte une formation dure, le mandrin 7 s'élève à une vitesse qui est fonction de ltétranglement du passage d'écoulement constitué par les orifices étranglés 38.Le fluide contenu audessous du clapet amortit la poussée ascendante du mandrin et il est refoulé à force lentement c'est-à-dire laminé à travers les orifices 38 par la course ascendante de la garniture d'étanchéité intérieure. Lorsque la poussée ascendante cesse, le poids du mandrin, iu manchon porte-trépan 3 et du trépan 4, attire le mandrin vers le bas pour lui faire prendre une position d'extension au moins partielle (figure 1). Etant donné que la garniture d'etanchéité supérieure refoule le fluide vers le bas, les plaquettes du clapet basculent pour prendre la position d'ouverture et laisser le fluide s' couler de haut en bas à travers les orifices 37, de sorte que le mouvement descendant du mandrin 7 est beaucoup plus rapide que son mouvement ascendant. On remarquera que l'amortisseur est également avantageux, dans les forages sous-marins, en particulier lorsque le train de tiges 2 est suspendu à un navire ou à une autre plate forme flottante.Pendant le forage, l'ensemble du train de tiges subit des mouvements alternatifs qui sont dus au mouvement des vagues et le trépan frappe le fond du trou de forage. L'effet atténuateur de l'amortisseur réduit au minimum les détériorations du trépan lai pourrait être due à de violents mouvements alternatifs En cas de besoin, on peut refouler le train de tiges 2 vers le bas par rapport au mandrin de façon à mettre les dents 16 et 17 en prise (Figure 2-B) pour compléter la liaison établie par les billes de portée 52 et les rainures 53. Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, l'amortisseur maintient l'application d'un poids-constant sur le trépan en permettant un déplacement alternatif limité entre le corps et le mandrin et en évitant que le trépan ne reste suspendu au-dessus du fond du trou de forage. I1 va de soi que l'invention nra été décrite ci-dessus qu'à titre explicatif et nullement limitatif et que l'on pourra y apporter toutes variantes sans pour cela sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Amortisseur de chocs pour un train de tiges comportant un trépan à son extrémité inférieur, cet amortisseur étant caractérisé en ce qu'il comprend un corps tubulaire approprié pour être intercalé dans le train de tiges à proximité du trépan, un mandrin tubulaire monté coulissant dans le corps et rendu solidaire de ce corps en rotation, le mandrin pendant du corps et étant relié au Zrêpl, dezK organes d'étanchéité espacés portés par le mandrin pour établir un joint étanche entre le corps et le mandrin et déli miter une cilambre fermée dans le corps, la chambre contenant un fluide non compressible destiné à amortir les déplacements de translation relative alternative entre le corps et le mandrin, et un clapet monté dans ladite chambre pour commander l'écoulement du fluide qui se produit sous l'effet de la translation relative alternative entre le corps et le mandrin, ce clapet étant muni d'éléments qui étranglent l'écoulement ascendant du fluide d'audessous du clapet au-dessus de ce clapet de manière à opposer une résistance à la translation descendante du corps par rapport au mandrin. 2e Amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le clapet comprend des éléments ajustables qui permettent de régler l'écoulement ascendant et l'écoulement descendant du fluide travers ce clapet afin d'imposer des limites à la vitesse de la translation relative dans le sens ascendant aussi bien que dans le ens descendant0 3.Amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce çue le clapet comprend un corps qui est traversé axialement par des orifices d'écoulement, et des plaquettes obturatrices qui em @êchent le fluide de s'écouler dans le sens ascendant par certains es orifices, 4 Amortisseur selon la revendication 5, caractérisé zé an qu'il comprend des moyens ajuustables montés dans le corpe du clapet, en des positions adjacentes aux orifices non munis de plaquettes @bturatrioes et qui sont destinés à régler l'écoulement du fluide dans ces orifices dans le sens ascendant aussi sien que dans le sens descendant, pour imposer des limltes à la vitesse de le translation alternative aussi bien dans le sens ascendant que dans Le sens descendant. 5. Amortisseur selon l'une queleonque des revendications 3 et 4 caractérisé en ce sue le corps du clapet présente des ouvertures radiales extérieures qui communiquent avec les orifices non munis de plaquettes obturatrices; les éléments ajustables qui servent à régler l'écoulement dans ces orivfices comprenant des chevilles d'étranglement qui sont vissées dans les ouvertures radiales;et qui coupent lesdits orifices, les extremités internes des chevilles d'étranglement ayant une forme sensiblament complementaire de celle des orifices de façon que ces orifices puissent être sensiblemenht en tièrement fermés aussi bien que sensiblement entièrement ouverts. 6. Anert@sseur selon l'une quelconque des revendications 1, r et 3, 3 c@ractérisé en ce qu'il comprend des billes de portée, montées rotatives à l'intérieur du corps pour faire saillie vers l'intérieur @' coopérer avec le mandrin, ce dernier comportant des rainures extérieures longitudinales destinées à recevoir les billes de portée @our rendre le mandrin solidaire du corps en rotation dans son mouvement d'entraînement et permettre cependant une translation relative entre le mandrin et le corps.