Brevet FR2134156A1 — publié le 19721208

La présente invention concerne les moteurshydrauliques de fond pour le forage des puits de prospection ou d'exploitation du pétrole, du gaz et d'autres minéraux utiles, et notamment les turboforeuses. On connaît une turboforeuse comprenant un corps.dans lequel sont fixés des stators dont les aubes constituent des canaux directeurs dans lesquels circule la boue, et un arbre monté sur des butées à billes et sur lequel sont calés des rotors dont les aubes sont orientées dans le sens contraire de celui des aubes du stator et qui-, de ce- fait, changent la direction de circulation de la boue; grâce à ce changement de direction, chaque rotor qui constitue -avec son stator un étage de la turbine de la turboforeuse, tourne par rapport au stator. Pendant l'utilisation d'une telle turboforeuse l'arbre tourne à une grande vitesse (90 tr/mn) en entraînant l'outil de perforation, par exemple un trépan à molettes. La rotation des trépans à molettes à des vitesses élevées entraîne une diminution du métrage foré par trépan, et, compte tenu du fait que dans les forages profonds les opérations d'abaissement et d'élévation exigent beaucoup de temps, le forage à ces vitesses élevées est économiquement désavantageu .. On connaît des turboforeuses dans lesquelles la vitesses de rotation est abaissée à l'aide d'un rédueteur. Toutefois, la fabrication de telles turboforeuss est extrêmement compliquée, et les turboforeuses de ce type ne sont pas fiables en raison des conditions difficiles dans lesquelles doit fonctionner le réducteur. On connaît aussi des turboforeuses dans lesquelles l'abaissement de la vitesse de rotation de l'arbre est obtenu par réglage du débit de la boue admise dans la turbóforeuse.-;Parmi-ces turboforeuses on peut citer les turboforeuses à soupapes de réduction et à multiplicateur de débit à éjecteur, assurant l'abaissement de la vitesse de rotation de l'arbre jusqu'à la vitésse de forage au rotary. Toutefois, les turboforeuses à soupapes de réduction et à multiplicateur de débit à éjecteur sont elles aussi de fabrication compliquée. Le but:de la présente invention est de supprimer les inconvénients indiqués. Il- s'agissait donc de créer une turboforeuse de conception simple, qui assurerait un bon fonctionnement du trépan-à molettes à des vitesses propres au forage au rotary. La solution consiste en ce que dans une torboforeuse du type comprenant un corps dans lequel sont fixés des stators dont les aubes constituent des cànaux directeurs dans lesquels circule la boue, et un arbre monté sur des butées à billes et sur lequel sont calés des rotors dont les aubes sont orientées dans le sens contraire de celui des aubes du stator afin de changer la direction de circulation de la boue et d'assurer-ainsi la rotat-ion-de chaque rotor par rapport au stator correspondant avec lequel ledit rot or forme un étage de la turboforeuse, ladite foreuse comprenant en outre des moyens pour abaisser la vitesse de- rotation de l'arbre précité , selon l'invention lesdits moyens pour abaisser la vitesse de rotation de l'arbre sont réalisés sous forme de stators fixés dans le corps de la turboforeuse et de rotors calés sur l'arbre, chaque paire stator-rotor constituant un étage de freinage hydrodynamique dans lequel les aubes du rotor et du stator sont orientées sensiblement dans le meme sens. I1 est avantageux que les aubes des stators et des rotors abaissant la vitesse de rotation de l'arbre soient orientés sous des angles égaux par rapport au plan-perpendicula-ire à l'axe de l'arbre de la turboforeuse. I1 est aussi avantageux queleas aubes des stators et des rotors abaissant la vitesse de rotation de l'arbre aient une hauteur variable, augmentant proportionnellement à I'éloignement radial de la section des aubes par rapport à l'axe de l'arbre. On assure ainsi l'écoulement sans chocs de la boue autour des aubes du stator et du rotor, ce qui permet de diminuer la résistance hydraulique de la turboforeuse freinée et contribue à une réduction plus rapide des pertes de pression lors de l'emballement de la turboforeuse. I1 est aussi possible utiliser, pour l'abaissement de la vitesse de rotati-on de l'arbre, des stators et des rotors dont les aubes ont une hauteur constante. L'avantage de telles aubes réside dans la simplicité de leur fabrication. il est préférable que les aubes des stators et des rotors abaissant la vitesse de rotation de l'arbre soient réalisées avec un profil aérodynamique constitué par des courbes continues complexes, et que leurs lignes médianes soient inclinées sous un meme angle par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de l'amie de la turboforeuse. Cela contribue à l'abaissement des pertes de pression dans les étages de freinage hydrodynamique. Grâce à la présente invention, on obtient une turboforeuse de conception simple qui assure le bon fonctionnement du trépan à molettes aux vitesses de forage au rotary L'invention est expliquée ci-dessous par un exemple non limitatif de réalisation décrit à l'aide des dessins annexés qui représentent:: - la figure 1,. ut vue en coupe longitudinale d'une turboforeuse réalisée conformément à l'invention; - la figure 2, un étage de la turbine, vu en coupe; - la figure 3, une vue développée illustrant la section des aubes du stator et du rotor d'un étage de la turbine, disposées suivant une circonférence; - la figure 4, un étage de freinage hydrodynamique, vu en coupe; la figure 5, une vue développée illustrant la section des aubes du stator et du rotor d'un étage de freinage hydrodynamique, disposées suivant une circonférence; ; - la figure 6, une vue développée montrant l'angle de calage des aubes du stator et du rotor d'un étage de freinage hydrotgEm$pe de la turboforeuse conforme à l'invention, dans le cas où ledit étage de freinage hydrodynamique remplit non seulement une fonction de freinage mais aussi de régulateur de pression; - la figure 7, une vue similaire à la figure 6, montra l'angle de calage assurant aux etages de freinage hydrodynamique lin effet de freinage maximal; - la figure 8, une vue similaire aux figures 6 et 7, montrant 11 angle de calage pour lequel la croissance de la résistance hydraulique du régime de freinage au régime à vide se produit plus rapidement que dans le cas des angles précédents;; - la figure 9, le graphique des caractéristiques d'une turboforeuse à étages de freinage hydrodynamique dans lesquels l'angle de calage des aubes est celui de la figure 6; - la figure 10, idem, l'angle de calage étant celui de la figure 7; - la figure 11, idem, l'angle de calage étant celui de la figure 8; - la figure 12, un étage de freinage hydrodynamique avec des aubes dont la hauteur augmente proportionnellement à l'éloignement radial de la section de l'aube par rapport à l'axe de l'arbre de la turboforeuse, (vue en coupe longitudinale); - la figure 13, la section d'une aube profilée du stator et du rotor d'un étage de freinage hydrodynamique, de forme aérodynamique, dont le profil est constitué par des courbes continues complexes. La turboforeuse représentée sur la figure -1 comporte à sa partie supérieure une turbine 1 constituée par des étages 2, chacun desquels comprend un stator 4 (figure 2) fixé dans le corps 3 (figures 1, 2, 4) et un rotor 8 (figure 2) calé sur l'arbre 7 (figures 1,2, 4))de la turboforeuse. Le stator 4 (figure 2) comporte des aubes 5 (figure 3) qui forment des canaux directeurs 6 dans lesquels circule la boue, tandis que le rotor 8 (figure 2) comporte des aubes 9 orientées dans le sens contraire de celui des aubes 5 du stator 4, ce qui a pour effet de changer laXirection de circulation de la boue et par conséquent de faire tourner le rot or 8 dans le stator 4 et de transmettre ainsi le couple moteur du rotor 8 à l'arbre 7 de la turboforeuse. A la partie inférieure de la turboforeuse, dans le corps 3, sont fixés des stators 10 (figure 4) munis d'aubes 11 (figure 5). Sur l'arbre 7 sont calés des rotors 12 (figure 4) dont les aubes 13 (figure 5) sont orientées sous le même angle que les aubes 11 par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre 7 de la turboforeuse. Les aubes 13 du rotor 12 viennent en quelque sorte en prolongement des aubes 11 du stator 10 et vice versa. Le stator 10 et le rotor 12 constituent un étage 14, et tous les étages constituent un ensemble i5 de freinage hydrodynamique qui abaisse la vitesse de rotation de l'arbre 7 de la turboforeuse. Quand l'arbre de la turboforeuse est freiné, la boue circule entre les aubes du rotor et du stator des étages de freinage hydrodynamique tout à fait librement. Cette circulation ne nécessite qu'une partie minimale de la pression produite par la pompe à boue. La résistance hydraulique des rotors et des stators n'est due qu'à la rugosité des canaux et aux imprécisions de forme des aubes. Au fur et à mesure que la vitesse de rotation du rotor de la turboforeuse augmente, ce qui se produit quand la charge axiale exercée sur le trépan diminue ou quand le couple exercé sur l'arbre de la turboforeuse diminue, une zone de turbulence apparaît en aval de l'aube. Les aubes du rotor des étages de freinage hydrodynamique, commencent à fonctionner comme celles du rotor d'une pompe axiale, en absorbant une partie de la puissance de la turbine et en créant une surpression de la boue, qui s'ajoute ou s' oppose à la pression produite par les pompes pour faire circuler la boue à travers la turbine motrice de la turboforeuse. Les figures 6, 7 et 8 représentent des vues développées des aubes des rotors et des stators des étages de freinage hydrodynamique. Les aubes des stators -et des rotors de chaque étage sont réalisées avec inclinaison dans un meme sens sous des angles égaux (aC, 4;, et Les fleches en traits continus indiquent le-sens de circulation de la boue, et les flèches en traits interrompus indiquent le sens de rotation du rotor. Les angles illustrés caractérisent trois variantes préférentielles de calage des aubes sur les rotors et les stators des étages de freinage hydrodynamique, chacun de ces a-ngles résultant en une caractéristique déterminée de la turboforeuse. Le calage des aubes des étages de freinage hydrodynamique suivant la première variante (figure 6) est avantageux pour les turbines dans lesquelles la résistance hydraulique baisse quand la vitesse de rotation diminue. -La caractéristique initiale d'ungturboforeuse comportant une telle turbine, ainsi que la caractéristique qui est obtenue apyres montage dans cette turboforeuse d'un ensemble de freinage hydrodynamique avec des aubes comme celles de la figure 6, sont représentées sur la figure 9 où l'on a n1, vitesse de rotationà-vide de l'arbre de la turboforeuse; n, vitesse de rotation de service de l'arbre de la turboforeuse; M1, couple de freinage de la turboforeuse; M , couple de service de la turboforeuse; P1, chute de pression de freinage dans la turboforeuse; P , chute de pression de service dans la turboforeuse; I , courbe du couple M =f(n ) pour les turboforeuses sans M1 n1 étages de freinage hydrodynamique;; II, perte de pression P = f(n.) pour une turboforeuse sans P1 nl 1 n1 étages de freinage -hydrodynamique; Ia, courbe du couple M = f(n ) pour une turboforeuse à nombre M1 n1 d'étages de freinage hydrodynamique égal à K1; Ib, idem, pour un nombre d'étages de freinage hydrodynamique égal à K P K1; IIa, perte de pression P mf( n ) pour une turboforeuse à nombre P1 n1 d'étages de freinage hydrodynamique égal à K1; IIb, idem, pour un nombre d'étages de freinage hydrodynamique égal à K2 > K1;; Comme le fait apparaltre la figure9, dans ce cas les étages de freinage hydrodynamique font non seulement office de frein s'opposant à l'emballement de la turboforeuse, mais aussi de régulateur de pression ne permettantas à la pression de dépasser la valeur maximale admissible. En montant un nombre suffisant d'étages de freinage hydrodynamique on peut non seulement diminuer la vitesse de rotation à vide mais aussi rétrécir la plage des vitesses de rotation de la turboforeuse. Quand on utilise de tels étages de freinage hydrodynamique, les pertes de pression dans la turboforeuse sont minimales. Dans certains cas, il est avantageux d'utiliser des étages de freinage hydrodynamique dont le rotor et le stator sont munis d'aubes verticales, comme représenté sur la figure 7 (deuxième variante). L'expérience montre que de telles aubes ont une capacité de freinage maximale. La caractéristique d'une torboforeuse comportant de tels étages de freinage hydrodynamique est représentée sur la figure 10. Les notations de la figure 10 correspondent à celles de la figure 9. De tels étages de freinage augmentent le coefficient de résistance hydraulique de la torboforeuse dans son ensemble, surtout si l'on compare ce coefficient à celui obtenu avec les étages de freinage réalisés suivant la première variante (figure6). Les aubes verticales ne peuvent faire office de régulateur de chute de pression dans la turboforeuse, mais elles sont extrêmement simples et de fabrication peu coûteuse, aussi peuvent-elles être appliquées sur une grande échelle. Pour imprimer à l'arbre de la turboforeuse une vitesse de rotation tres faible (de. l'ordre de quelques dizaines de tours par minute), il est particulièrement avantageux d'utiliser la troisième variante de réalisation des étages de freinage hydrodynamique (figure 8). Dans ce cas, quand le rotor est immobile, l'ensemble de freinage hydrodynamique, de même que dans la première variante (figure 6), ne provoquepllesque pas d'augmentation de pertes de pression dans la turboforeuse, c'est-à-dire qu'il n'augmente que très faiblement le coefficient de résistance hydraulique de la turboforeuse freinée dans son ensemble. Toutefois, quand la vitesse de rotation de l'arbre de la turboforeuse croît, l'ensemble de freinage commence à fonctionner en pompe axiale d'une façon de plus en plus marquée, en produisant une ccntre-pression pour la pompe principale. Le coefficient de résistance hydraulique d'une turboforeuse comportant une turbine dont la résistance hydraulique diminue avec la diminution de la vitesse de rotation baisse, croît plus rapidement avec la vitesse de rotation que dans les deux variantes précé dents La caractéristique d'une turboforeuse comportant de tels étages de freinage hydrodynamique est représentée sur la figure 11. Les notations de la figure il correspondent à celles des figures 9 et 10. En utilisant cette variante de freinage hydrodynamique dans les turboforeuses avec multiplicateurs de débit à éjecteur, ainsi que dans les turboforeuses à soupape de réduction, c'est-à-dire dans toutes les turboforeuses dans lesquelles le débit de la boue admise dans la turbine est fonction du régime de travail de la turboforeuse, on peut obtenir les vitesses de rotation de travail minimales indiquées. Dans les deux cas où les aubes des étages de freinage hydrodynamique sont inclinées sur la plan perpendiculaire à l'axe de la turboforeuse (figures 6 et 8), il est très important pour abaisser le coefficient de résistance hydraulique de la turboforeuse freinée ainsi que pour obtenir un abaissement rapide des pertes de pression lors de la rotation à vide de la turboforeuse (cas de la première variante, figure 6), d'assurer un écoulement sans chocs autour des aubes du rotor et du stator, ce qui n' est possible que si les aubes de sortie du rotor et du stator sont dirigées suivant les rayons. Cette dernière condition est impossible à observer quand les aubes inclinées sont de hauteur constante, indépendante de la distance entre la section de l'aube considérée et l'axe de la turboforeuse. C'est pourquoi, afin d'abaisser les pertes de pression dans la turboforeuse freinée, il est avantageux que les aubes des étages de freinage hydrodynamique réalisées suivant la première et la troisième variante (figures 6 et 8) aient une hauteur axiale variant suivant le rayon, comme montré sur la figure 12.Quand la hauteur axiale H des aubes augmente proportionnellement à l'éloignement de la section de l'aube par rapport à l'axe de la turboforeuse, il devient possible de respecter les deux conditions les plus importantes, c'est-à-dire de réaliser les aubes de manière que l'inclinaison de leur axe sur le plan perpendiculaire à l'axe de la turboforeuse soit de valeur constante sur toute la hauteur radiale, et aussi de manière que ses bords d'entrée et de sortie soient orientés suivant des rayons, c'est-à-dire que les/projections des bords d'entrée et de sortie des aubes sur le plan perpendiculaire à l'axe de la turboforeuse coincident avec la direction dérayons. Pour faciliter le moulage des étages de freinage hydrodynamique, les aubes peuvent être réalisées "profilées", c'est-à-dire avec un profil aérodynamique formé par des courbes continues complexes. La figure 13 représente le profil d'une telle aube. Dans ce cas, l'inclinaison de l'aube sur la plan perpendicu- laire à l'axe de l'arbre de la turboforeuse est déterminée par l'inclinaison de la ligne médiane "m", et les projections du bord d'entrée "a" et du bord de sortie "b" de l'aube sur le plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre de la turboforeuse coïncident avec la direction des rayons. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Une turboforeuse du type comprenant un corps dans lequel sont fixés des stators dont les aubes constituent des canaux directeurs pour.la circulation de la boue de forage, et un arbre monté sur des butées à billes et sur lequel sont calés des rotors dont les aubes spnt orientées dans le sens contraire de celui des aubes de stator afin de changer la direction de circulation de la boue et par conséquent de faire tourner chaque rotor par rapport au stator correspondant avec lequel il forme un étage de la turbine dé la turboforeuse, ainsi que des moyens pour réduire la vitesse de rotation dudit arbre, réalisés sous forme de stators fixés dans le corps de la turboforeuse et de rotors calés sur ledit arbre, caractérisée en ce que chaque paire stator-rotor des moyens précités constitue un étage de freinage hydrodynamique dans lequel les aubes dudit rotor et dudit stator sont orientées sensiblement dans le même sens par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre de la turboforeuse. 2. Une turboforeuse suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les aubes des stators et des rotors servant à diminuer la vitesse de rotation de l'arbre sont orientées sous des angles égaux par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre de la turboforeuse. 3. Une turboforeuse suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les aubes des stators et des rotors servant à diminuer la vitesse de rotation de l'arbre ont une hauteur variable augmentant proportionnellement à l'éloignement radial de la section des aubes par rapport à l'axe de l'arbre de la turboforeuse. 4. Une turboforeuse suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée-en ce que la hauteur des aubes des stators et des rotors servant à diminuer la vitesse de rotation de l'arbre est constante. 5. Une turboforeuse suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les aubes des stators et des rotors servant à diminuer la vitesse de rotation de l'arbre présentent un profil aérodynamique constitué par des courbes continues complexes, et en ce que leurs lignes médianes sont inclinées sous un même angle par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de l'arbre de la turboforeuse.