Brevet FR2119819A1 — publié le 19720811

La présente invention a pour objet un nouveau dispositif de forage par percussions. Ce dispositif est plus particulièrement adapté à être utilisé pour columuniquer des percussions répétées à des outils entraidés en rotation par un moteur de fond, tel qu'une turbine ou un moteur électrique Le procédé de forage utilisant un moteur de fond consiste à suspendre un moteur à l'extrémité d'un train de tiges de forage, le moteur étant relié à l'outil de forage qutil entraine en rotation. Ainsi l'énergie nécessaire au forage est directement transmise à l'outil avec un minimum de pertes, et les performances de forage ont pu être augmentées, en utilisant en particulier des outils spéciaux entrainés à grande vitesse. Jusqu'à présent dans ce type de forage on n'a jamais tenté de conbi- ner à l'énergie de rotation transmise aux outils, une énergie de percussion, ce qui pourtant pourrait accroître les performances de forage tout en conservant les avantages de l'utilisation d'un moteur de fond. Les dispositifs classiques transmettant des percussions aux outils de forage, habituellement utilisés pour des forages par le procédé rotary, sont difficilement adaptables au procédé utilisant un moteur de fond car ils mettent généralement en oeuvre le déplacement alternatif de masses importantes, ou utilisent des dispositifs élastiques qui emmagasinent de l'énergie pendant la course ascendante de ces masses pour la resttuer sous forme de percussions aux outils de forage. L'un des objets de la présente invention est de fournir un dispositif pouvant être associé à un moteur de fond rotatif, et permettant de réaliser des forages par percussions. Un autre objet de l'invention est de fournir un dispositif de réalisation simple et facilement adaptable aux moteurs de fond habituellement utili sés. Le dispositif pour le forage d'un puits, selon la présente invention associé à un moteur de fond et permettant de communiquer à l'outil > un effort périodique de percussion est caractérisé en ce qu'il comprend au moins une came solidaire du stator du moteur et un élément porte-outil entraîné en rotation par le rotor du moteur, ladite came coomuniquant à l'outil pour chaque rotation de celui-ci, une effort de percussion provoquant la pénétration de l'outil daims le terrain. L'invention sera décrite ci-après plus en détail en se référant aux figures annexées illustrant, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans ces figures - la figure 1 illustre schómatiquement un dispositif de forage utilisant un moteur de fond directement relié à l'outil, - la figure 2 illustre schématiquement un dispositif selon l'invention associé à un moteur de fond, - les figures 3A et 3B sont des vues développées représentant schématiquement le fonctionnement du dispositif selon l'invention, - les figures 4 et 5 montrent respectivement les efforts exercés sur un outil et le travail exécuté par cet outil lors du forage, - les figures 6, 6A et 6B illustrent un mode préféré de réalisation du dispositif selon l'invelltion, - la figure 7 illustre une variante du dispositif décrit à la figure 6. La figure 1 illustre un dispositif suivant l'art antérieur utilisant un moteur de fond directement relié à l'outil de forage. Sur ce dessin, la référence 1 désigne le puits foré. T'outil de forage 2 est directement entrain en rotation par un moteur de fond 3. Ce moteur peut être par exemple un moteur électrique alimenté en énergie depuis la surface par des conducteurs électriques, ou encore une turbine entratnée en rotation par le fluide de forage. Un ensemble de masses-tiges 4 permet d'exercer un effort statique sur l'oucil L'ensemble est suspendu à un train de tiges rigides 5. Ce train de tiges 9 peut aussi être remplacé par une conduite flexi ble de forage d'un type connu. Une pompe 6 injecte dans le train de tiges 5 et par une canalisation 7, uii fluide de forage praveilat d'un réservoir 8. Ce fluide qui circule dans le seils indiqué par les flèches peut servir à entraîner le moteur 3 dans le cas où celui-ci est constitué par une turbine. Après avoir irrigué le front de taille ce fluide circule dans l'es- pace annulaire 9 et retourne par une canalisation 10 au réservoir 8 où il est débarrassé des débris de forage. Le train de tiges 5 est suspendu à une tour de forage, non représentée sur la figure, par 1' intermédiaire d'un ensemble formé par une po1llie 11 et des cibles 12. I.a traction exercée par les câbles 12 sur le train de tiges 9 permet de régler le poids p exercé sur l'outil 2. La figure 1 illustre un exemple de forage à terre mais il est bien entelldu que le même procédé peut être utilisé pour l'exécution d'un forage en mer, depuis une installation de surface, fixe ou flottante, avec toutes les adaptations bien connues des spécialistes, et qui ne sont pas ici l'objet de la présente invention. La figure 2 illustre schématiquement un dispositif selon l'invention associé à un moteur de fond. Sur cette figure et les suivantes, les mêmes références ont été utilisées pour désigner les même éléments. Sur la figure 2 on reconnait le train de tiges 5 prolongé à sa partie intérieure par les masses-tiges 4 auxquelles est raccordé, le moteur de fond 3 comprenant un stator t un rotor 14. Entre le moteur de fond 3 et les outils de forage 2 est interposé un mécanisme 15 comprenant une came 15 solidaire du stator ;3 du moteur 3 et un élément port out 1s 17 solidaire du rotor 14. La came 16 est munie d'au moins un bossage 18, un seul bossage ayant été représenté sur la figure 2 pour la clarté de la figure. Le porte-outils 17 est adapté à recevoir des outils tels que 2 pouvant coulisser parallèlement à 1 'axe du moteur 3 dans des alésages 20 pratiqués dans le porte-outils 17. Les figures 3:N et 3B illustrent schématiquement le mode de fonctionne ment d'un dispositif selon l'invention, (le mécanisme 15 ayant été représenté en vue développée) et montrent le travail exécute par l'outil 2. Le poids p exerce sur l'outil de forage est égal au poids P de l'en semble surmontant 1 'outil dimîiiué de la tension T exercée par les câbles 12 (FIG.1) sur le train de tiges. Le poids p est donc réglable et ajusté à la valeur désirée depuis l'installation de surface en fonction du type d'outil utilisé et de la dureté des terrains traverses. Ce réglage peut être effectué par tout moyen connu de façon à maintenir constante la valeur du poids p exer- cée sur l'outil. Sur les figures 3A et 3B le déplacement du porte-outil 17 se fait dans le sens indiqué par la flèche V. Quand un outil tel que, par exemple, la lame 2 se présente en face d'un bossage 18 il subit de la part de ce dernier un effort brutal p1 qui enfonce 1 'outil 2 dans le terrain (FIG.3A). Cet effort correspond à une augnien tation de charge sur l'outil 2, communiquant à cet outil un déplacement h égal à la hauteur du bossage. Après cet enfoncement, l'outil 2 qui est entraîné en rotation attaque le terrain, comme le montre la figure 3B, pratiquement sans être soumis à la charge p.L'ensemble du train de tiges, des masses-tiges et du moteur, suspendu par les câbles 12 qui exercent sur cet ensemble une tension constante, descend donc dans le puits d'une hauteur sensiblement égale à "h" de sorte que le bossage 18 suivant situé sur la came 16 et que rencontre l'outil 2, produise un nouvel effort d'enfoncement de l'outil 2 dans le terrain. De cette manière les impulsions successives transmises à l'outil 2 sont provoquées par le poids de l'ensemble suspendu au-dessus de l'outil. Dans la pratique, le terrain exerce sur l'outil 2 des efforts de réaction R qui dépendent de la dureté des terrains et qui sont illustrés à la figure 4. Ces efforts ont au moins une composante verticale R v Lors du passage de l'outil 2 en face d'un bossage, la force R de v réaction du terrain sur l'outil est transmise à l'ensemble surmontaIt l'outil de forage et provoque le déplacement de cet ensemble dans le sens vertical d'une longueur praportionnelîle au déplacement h de l'outil 2 et au rapport de la masse de l'outil à celle de l'eisemble sunnontant celui-ci. Il s'ensuit un très léger déplacenant des masses-tiges qui, compte tenu du faible déplacement de l'outil (de l'ordre de 10 mm), peut être considéré comme négligeable. D'autre part, la force R provoque une certaine remontée de l'outil v et le front de taille présente, en fait, un aspect en dent de scie illustré à la figure 5. lors du forage, un régime stationna '.rn s 'éablit compte tenu des différents efforts exercés sur 1 'outil et de la tension exercée sur les câbles 12 (FIG.l). Il résulte de ce qui précède que la fréquence des percussions dépendra du nombre de bossages 18 de la came 16, du nombre d'outils ou lames 2 et de la vitesse de rotation du porte-outil 17-. T.e mécanisme 15 (FIG. 2) est choisi et déterminé en fonction de la nature du terrain traversé. Cette fréquence sera en général comprise entre 50 Hz et 1000 liz et de préférence voisine de 400 liz valeur donnant les meilleurs résultats pour le forage de terrains durs. Comme le montre la figure 5, le porte-outil 17, qui est solidaire du rotor 14 du moteur d'entraînement, peut être équipé de plusieurs lames telles que 2a,2b,2c etc..., dont le nombre peut être ounon égal au nombre de bossages de la came 16 de façon à obtenir la percussion simultanée ou non des différentes lames. La figure 6 illustre un mode préféré de réalisation du dispositif selon la présente inventioll, qui permet d'utiliser les outils habituellement employés avec les moteurs de fond. Sur cette figure, l'outil est par exemple un outil tricône classique 22. Conime indiqué précédemment on interpose entre le moteur de fond, composé du stator 13 et du rotor 14, un mécanisme 15 comprenant essentiellement une came 16 et un porte-outil 17. La came 16 est fixée sur le stator 13 du moteur , par exemple au moyen d'un filetage 23, et porte au moins deux bossages 18a diamétralement opposés. L'outil 22 est fixé par un filetage 24 au porte-outil 17 qui est muni de bossages 18b en nombre égal à celui de la came 16. Le rotor 14 entraîne en rotation le porte-outil 17 par l'intermédiaire d'un organe de liaison 25 qui pennet le déplacement axial relatif d.l rotor 14 et du porte-outil 17. Cet organe de liaison 25, representé en perspective sur la figure 6A, comprend un corps cylindrique 25a fixé sur le rotor 14,par par exemple au moyen d'un filetage, et, à sa partie inEérieure, des ailettes de guidage 25b, dont l'utilité apparaîtra ultérieurement. Te porte-outil. 17, illustré en perspective par la figure 6B, comprend un corps cylindrique 17 à la partie inférieure duquel est fixé l'outil 22 par exemple au moyen d'un filetage 24. A sa partie supérieure, le porte-outil est muni de doigts d'entrainement 17b sur lesquels est fixée une couronne 17c pourvue des bossages 18b. Comme on le voit sur la figure 6, les doigts 17b du porte-outil viennent se loger entre les ailettes 25b de l'organe de liaison 25. Un manchon 17d solidaire du porte-outil 17 et pouvant coulisser dans l'alésage de l'organe de liaison 25 empêche le fluide de forage de s'écouler entre la came 16 et le porte-outil 17. Une bague de protection 26, solidaire de la came 16, protège ie mécanisme contre la boue de forage qui circule dans l'espace annulaire du puits. Le fonctionnement du dispositif est simple. Quand le rotor 14 du moteur tourne, il entraîne en rotation l'organe de liaison 25 qui, par llinter- médiaire des ailettes 25b et des doigts 17b, entraîne à son tour en rotation le porte-outil 17. Quand les bossages 18b, se présentent en face des bossages 18a de la came 16, les doigts 17b communiquent au porte-outil 17 les efforts de percussion et cculissent verticalement entre les ailettes de guidage 25b. De cette façon, l'organe de liaison 25 entraîne en rotation le porte-outil 17, par l'intermédiaire de ces ailettes 25b, tout en permettant siaultanément le déplacement axial relatif du porte-outil et du rotor 14. Les bossages 18a et 18b pourront être obtenu par usinage. Toutefois ces bossages pourront être constitués de rouleaux de forme cylindrique, conique ou bombée, ou de billes maintenus dans des logements prévus à cet effet dans les pièces 16 et 17c. Ces billes ou ces rouleaux seront constitués en matériau très dur et offrant une bonne résistance aux chocs répétés. Comme il a été indique plus haut, la fréquence de percussion dépend essentiellement du nombre de bossages portés par la canine 16 et le porte-outil 17 et de la vitesse de rotation du moteur Pour obtenir une vitesse d'avancement maximum il peut être intéressant d'ajuster cette fréquence à la nature du terrain traversé. La figure 7 illustre schématiquement un dispositif permettant de faire varier la fréquence des percussions pendant les opérations de forage. Comme sur la figure 6 le porte-outil 17 est t.iw'i d'une plaque i7c 1 Imitant les déplacements vers le bas de 1 'outil 22 mais cette plaque n'est pas munie de bossage. Au montage on intercale entre la plaque 17c et la came 16 une cage 2S semblable à une cage de roulement et dans laquelle sont ménagés des logements pour des billes ou des rouleaux 18b. Cette cage peut donc tourner librement sur la plaque 17c. Un élément 27 pouvant être d'un type connu, par exemple du type électromagnétique, assure un couplage entre la pièce 25 et la cage 27. De cette façon en réglant le couplage entre l'élément 27 et la cage 26 on peut obtenir une variation de vitesse relative de la cage 26 et la came 16 comprise entre la valeur o et la valeur de rotation du rotor 14, ce qui permet de régler la fréquence des percussions. Le dispositif 27 sera commandé depuis la surface par l'intermédiaire de conducteurs électriques incorporés à la colonne de forage. Bien entendu des modifications pourront être apportées sans sortir du cadre de la présente invention. Le porte-outil pourra être fxe par rapport au rotor du moteur et l'outil constitué d'une pluralité de lames adaptées à se déplacer parallèlement à l'axe du moteur au passage de claque bossage. La carr.e pourra être constituée par une rainure de forme appropriée dans laquelle se déplacent des doigts de guidage solidaires des lames constituant l'outil, ou du porte-outil. Le réglage de la vitesse de rotation de la cage 28 pourra être obtenu par tout dispositif mécanique modifiant les forces de frottement entre la cage 28 et l'une des pièces 25 ou 17 entraSnées par le rotor du moteur de fond. R E V E N D I C h T I d N S 1. - Dispositif pour le forage de terrains, associé à un moteur de fond entrainant en rotation un outil de forage pouvant subir parallèlement à l'axe du rotor des mouvements limités, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un bossage solidaire du stator, adapté à appliquer brusquement à l'outil, a chaque rotation du rotor, exclusivement pour une position de l'outil au contact des terrains, au moins un effort de percussion provoquant la pénétration de l'outil dans les terrains. 2. - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'outil est lié en rota tion avec le rotor par 1'intermédiaire d'un porte-outil, caractérisé en ce que ledit outil est constitué d'au moins une lame pouvant coulisser parallèlement à l'axe du rotor sous l'action dudit effort de percussion. 3. - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'outil est solidaire d'un porte-outil entraîné en rotation par le rotor, caractérisé en ce que ledit porte-outil peut subir des déplacements limités parallèles à l'axe du rotor et en ce que ledit dispositif comporte au moins deux bossages fixes solidaires du stator et au moins deux bossages mobiles solidaires dudit porte-outil, lesdits bossages fixes et mobiles coopérant les uns avec les autres exclusivement pour une position de 1'outil au contact des terrains,pour appliquer périodiquement audit porte-outil des efforts de percussion. 4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits bossages sont constitués par des billes. 5. - Dispositif selon le revendication 3, caractérisé én ce que lesdits bossages sont constitués par des rouleaux cylindriques coniques ou bombes. 6. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits bossages peuvent entre liés en rotation avec le rotor du moteur de fond par l'inter- médiaire de moyens de couplage. 7. - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage sont du type électromagnétique. 8. - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de couplage sont adaptés à modifier les forces de frottement entre lesdits bossages et ledit porte-outil.