Brevet FR2152471A1 — publié le 19730427

La présente invention se rapporte d'une façon générale à la technique du forage du sol et concerne plus spécialement le forage du sol au moyen d'un outil tel qu'un trépan entrat- né par une turbine. De façon classique, la turbine utilisée comme moteur souterrain pour entraîner l'outil est disposée en principe juste au-dessus de cet outil, à des profondeurs qui peuvent atteindre des valeurs élevées. Or s'il est relativement aisé de créer d la base d'une colonne de forage de grande longueur des pres sions élevées, il est beaucoup plus difficile d'augmenter le débit du fluide injecté jusqu'd la turbine car les pertes de charge stériles dans la colonne ne sont pas influencées par la pression, tandis qu'elles croissent comme le carré du débit. Le bilan énergétique de la transmission au fond de la puissance hydraulique disponible à la surface est donc d'autant plus favorable que la pression est élevée par rapport au débit. Toutefois les pertes de charge sont si élevées aux grandes profondeurs qu'il est souvent impossible de fournir les débits minéraux qu'exige chaque type déterminé de turbine. On a donc intérat å réduire le débit circulant dans la colonne tout en gardant la possibilité d'accroStre celui traversant les aubages de la turbine, par exemple par l'emploi d'un relais permettant de transformer, A l'entrée de la turbine, une partie de l'énergie fournie sous forme de pression en énergie sous forme de volume de fluide. I1 est déjà connu d'utiliser, pour toute une série d'application, des dispositifs hydrauliques tels que des éjecteurs ou des Venturis, destinés à créer dans des outils ou moteurs de forage souterrains, ou en liaison avec ceux-ci, des variations locales de la pression, en vue de modifier le sens d'un écoulement ou son volume, et ceci en particulier en recyclant entièrement ou en partie un courant fluide, pour accrottre le volume d'un autre courant. Parmi ces applications, on peut citer l'équilibrage de la pression A l'intérieur d'un tube carottier, la création d'une aspiration dans certains outils de repêchage, et l'inversion du sens de l'irrigation dans certains types de trépans comme décrit dans le brevet français N- 1.567.862. On a également déjà proposé, pour résoudre le probleme posé ci-avant, d'utiliser un éjecteur afin d'augmenter le volume de fluide circulant à travers les aubages d'une turbine de forage en prélevant dans l'annulaire extérieur, c'est-àdire dans l'espace ménagé entre le corps de la turbine et la paroi du trou foré, une partie du courant ascendant venant du trépan, qui vient ainsi s'ajouter au courant de fluide moteur ifr jecté à partir de la surface, Mais cette façon de procéder présente l'inconvénient majeur de recycler à travers l'ensemble turbine-trépan une portion du fluide d'irrigation polluée par les débris de forage, ce qui risque d'obturer les crépines d'aspiration, en rendant le procédé inefficace, et ce qui a comme effet constant de provoquer une érosion accélérée de tout le mécanisme intérieur de la turbine et du trépan. Un but de l'invention est de tirer parti de l'effet créé par des dispositifs connus du genre sus-indiqué pour apporter une solution au problème posé ci-avant. Un autre but de l'invention est de créer un agencement permettant d'obtenir une régulation souple de la répartition des volumes et des pressions à l'intérieur du système turbineoutil de forage en utilisant uniquement le fluide propre amené 9 la turbine à partir de la surface. Un autre but de l'invention est de réserver à la turbine la part non négligeable d'énergie hydraulique qui est perdue lorsque l'on aspire le courant de recyclage dans l'annulaire et qui correspond à la chute de pression que le courant évacué subit en traversant le trépan. L'invention est matérialisée dans une turboforeuse, comportant une partie rotorique et une partie statorique munies d'aubages conjugués de telle sorte que la circulation d'un fluide moteur provoque la rotation de la partie rotorique, cette partie statorique étant reliée à la surface par une colonne de tiges permettant l'alimentation en fluide de la turboforeuse, tandis qu'un outil de forage tel qu'un trépan est relié à la partie rotorique, caractérisée en ce qu'une communication est établie, à l'intérieur de la turbine, entre une zone située en aval des aubages de cette turbine et une zone située en amont de ceux-ci, chacune de ces zones se trouvant placée en amont de la zone de pollution du fluide à sa sortie de la turbine, des organes étant prévus pour créer, dans cette zone située en amont des aubages, une dépression par rapport à la zone située en aval, de telle sorte que du fluide soit aspiré par cette communication de cette zone située en aval vers cette zone située en amont, en vue d'une réinjection au niveau de cette dernière dans le fluide d'alimentation de la turbine provenant de la surface. Suivant un agencement judicieux, le point prévu en amont des aubages est associé d un éjecteur, Venturi ou dispositif équivalent créant la dépression désirée. Un agencement possible comprend un arbre creux, qui présente dans sa paroi des orifices, une discontinuité ou un passage analogue, et qui est traversé par le fluide d'alimentation ou par le fluide de recyclage, les orifices ou le passago précité étant prévus en principe au niveau de la zone dans laquelle s'établit une dépression assurant le recyclage d'une partie au moins du fluide traversant les aubages de la turbine. La disposition suivant l'invention peut entre adaptée i tout type de turbine d condition de la doter d'un arbre creux, mais elle convient en particulier aux turboforeuses et aux turbocarottiers å corps tournant tels que décrits dans le brevet français N- 1.195.283. Suivant un mode de réalisation, le corps de la turbine est fixe tandis que son arbre tourne, et cet arbre présente un canal axial communiquant par des orifices ou passages équivalents avec deux zones de l'espace annulaire ménagé entre l'arbre et le corps, dont l'une est située en amont des aubages, tandis que l'autre est située en aval, un Venturi étant prévu en principe au niveau de cette zone amont, afin de créer autour de l'arbre une zone dépressionnaire prélevant ainsi par le canal de l'arbre une partie du fluide ayant traversé les aubages d la zone située en aval, en vue de sa réinjection dans le courant de fluide principal. Dans le cas d'un corps tournant associé à un arbre fixe, le fluide injecté depuis la surface traverse l'arbre creux sur toute sa longueur, puis revient en sens inverse à travers les aubages de la turbine. On dispose alors judicieusement dans l'arbre creux ou en continuité avec celui-ci un injecteur créant une zone dépressionnaire et , au droit de cette zone, des orifices ou passages communiquant avec la zone située en aval des aubages, qui communique également avec l'annulaire extérieur pour lasortie du fluide excédentaire. L'agencement suivant l'invention s'accortwnodeégalement particulièrement bien des accessoires et des opérations spéciales qui deviennent de plus en plus fréquents avec l'évolution de la technique du turboforage, tels que passage de tubes portecarottes, outils axiaux, échantillonneurs, cibles de mesure, de contrôle ou de commande, soupapes ou clapets de régulation, engins de sécurité, etc ... Dans un tel cas, un passage continu doit être ménagé dans l'arbre.Suivant un agencement parait sant avantageux, dans le cas d'un arbre tournant, on dispose au-dessus de l'arbre creux ouvert à ses extrémités un étrier ou support équivalent, ménageant avec cet arbre un passage situé en principe au droit d'une zone dépressionnaire et servant de siège à un élément obturateur descendu dans la colonne de forage jusqu'à la turbine et qui peut, si désiré, Autre associé à des organes de mesure, contrôle, etc Dans le cas d'un corps tournant, une solution paraissant avantageuse consiste d prévoir dans l'arbre creux ouvert à ses extrémités un siège pour un élément de suspension permettant le passage du fluide, qui peut entre descendu dans la colonne de tiges jusqu'à la turbine et qui porte une olive ou un organe équivalent ménageant avec la paroi de 1' arbre creux un Venturi créant une zone dépressionnaire en principe au droit d'orifices de communication prévus dans cette paroi de l'arbre. La description faite ci-après en regard du dessin annexé, donné à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'invention. Les fig. 1 à 4 sont des vues en coupe partielles schématiques montrant quatre modes de réalisation possibles de l'invention. La fig. 1 se rapporte à une turbine normale à corps tournant. La turbine représentée sur cette fig. 1 comprend un arbre tournant 1 logé dans un corps statorique 2, la turbine étant équipée des accessoires normaux, tels que palier inférieur 3, butées 4, aubages 5 et paliers radiaux 6. Le fluide moteur, amené à la turbine depuis la surface par la colonne de forage, pénètre dans celle-ci à travers le raccord supérieur 7. Il est prévu au-dessous de ce raccord un diffuseur 8 qui est solidaire du corps 2 et qui est traversé par le prolongement 9 de l'arbre supérieur 10, lequel est muni d'un canal axial 11 et est relié au prolongement 9 par un accouplement amovible 12. Le canal intérieur Il de l'arbre 10 communique par des orifices 13 avec l'espace annulaire ménagé entre le corps de la turbine et l'arbre, en aval des aubages, cest-à-dire audessous de ceux-ci sur la fig. 12 et par des orifices 14 avec la zone 15 ménagée autour du prolongement de l'arbre par le diffuseur 8 et dans laquelle une dépression est créée par l'effet de Venturi exercé. Le courant fluide ayant traversé les aubages de la turbine tend norialement à s'écouler vers le bas en direction de l'outil par les canaux 16, 17 de l'arbre inférieur 1. Toutefois, du fait de la communication ainsi établie et de la dépression exercée dans la zone 15, une partie de ce fluide remonte par le canal axial Il de l'arbre supérieur 10 et rejoint par les orifices 14 le courant de fluide principal, en augmentant ainsi le volume de fluide d'alimentation et en accroissant d'autant la vitesse de rotation nominale de la turbine. Le rapport volumétrique entre le courant primaire et le courant recyclé est déterminé par les pressions régnant au niveau des orifices 13 et 15 ainsi que par les divers coefficients de perte de charge du circuit, qui peuvent être modifiés ou régu lés en fonction des paramètres de fonctionnement par des moyens connus. Suivant le mode de réalisation que montre la fig. 2, l'agencement faisant l'objet de l'invention est appliqué à une turbine dont le corps 19 tourne autour d'un arbre tubulaire 20 angulairement immobile et relié mécaniquement à la colonne de forage par le raccord de tête 21. On a représenté schématiquement sur la fig. 2 les butées 22, les aubages 23 et les paliers 24, 25, ainsi que les coussinets 26 de la turbine, sous forme de butées et de paliers à glissement, mais il est évident que des dispositifs d'un autre type, tels que des butées ou paliers à roulement, peuvent titre utilisés. Il est prévu suivant ce mode de réalisation, au-dessus de l'arbre 20, un arbre supérieur 27, prolongé vers le bas par un éjecteur 28 et par un convergent-divergent 29 avec lequel cet éjecteur ménage un intervalle qui communique par des orifices 30 avec l'espace annulaire ménagé entre cet arbre et le corps de turbine 19, en aval des aubages. On a montré en 31, à la partie inférieure de la fig. 2, un outil irrigué par le fluide sortant par un passage central 32, et on a indiqué en 33 une chambre qui communique avec l'intérieur de l'arbre 20 et qui est traversée par le fluide en amont des aubages. Le courant primaire de fluide arrivant dans la turbine par le raccord 21 traverse la partie supérieure 27 de l'arbre, puis l'éjecteur 28, le convergent-divergent 29, 11 arbre 20 et la chambre 33, pour parvenir aux aubages 23 qu'il traverse en direction du haut sur la fig. 2. Le mode d'action du dispositif prévu dans la turbine représentée sur la fig. 2 est analogue à celui décrit précédemment. La combinaison de l'éjecteur et du convergent-divergent crée au niveau des orifices 30 prévus dans la paroi de l'arbre une zone de dépression locale qui aspire et incorpore au courant de fluide primaire une partie du courant sortant des aubages. Le reste de ce courant est évacué vers l'annulaire extérieur par des orifices 34ménagés dans la paroi du corps. Le courant moteur, constitué par la somme du courant primaire et du courant recyclé, se répartit à la sortie de l'arbre, dans la chambre 33, entre les aubages de la turbine et le trépan 31, selon les coefficients de résistance hydraulique fixes ou variables de chacun des deux circuits De nombreuses variantes peuvent être apportées aux dispositions décrites. Ainsi, comme indiqué précédemment, la représentation des divers ensembles tels que butées, paliers, aubages, etc ... n'est qu'illustrative de réalisations particulières, qui peuvent entre remplacées par tout autre agencement connu. Par ailleurs, il peut être avantageux en particulier de disposer les pièces d'usure 28 et 29 dans un tronçon démontable situé entre la partie motrice et les coussinets 26, ce qui permet ainsi d'utiliser au maximum l'espace radial disponible à l'intérieur du corps tournant de la turbine. On a représenté partiellement sur les fig. 3 et 4 une turboforeuse comprenant un arbre à passage intérieur continu, permettant de relier axialement la colonne de forage au trépan en court-circuitant tous les dispositifs intermédiaires tels que la turbine proprement dite, etc La turbine représentée sur la fig. 3 est du type à corps statorique 36, dans lequel tourne un arbre tubulaire 37. On a montré en 38 le palier supérieur de la turbine. Comme indiqué ci-avant, l'agencement est étudié de façon à respecter la continuité du canal axial de l'arbre. Dans le cas présent, il est prévu dans le corps 36 un diffuseur statorique 39 qui ménage une zone de dépression avec le prolongement supérieur 40 de l'arbre 37, fixé sur cet arbre par un raccord 41, et avec un manchon 42 fixé à un étrier 43. Cette zone communique dans le cas présent avec 1'intérieur de l'ar- bre par un interstice ménagé comme indiqué en 44 entre le prolongement 40 et le manchon 42. L'étrier 43 est retenu sur un épaulement ménagé par le diffuseur 39 par un raccord vissé 45. I1 présente des canaux de circulation 46 ménagés pour le passage du courant de fluide primaire, ainsi qu'un orifice central 47 ménageant un siège et obturé axialement au cours du forage par un bouchon 48 portant une tête de reptchage 49. Ce bouchon 48 peut être mis en place par chute libre dans la colonne de forage, ou bien il peut être descendu au moyen d'un cible 50 qui peut rester en place au cours du forage et qui peut servir d'élément de liaison avec la surface. La continuité de la liaison mécanique et (ou) électrique peut être prolongée au-dessous du bouchon 48 jusqu'à l'outil de forage par une barre rigide ou souple 51, qui peut servir par exemple à remonter un tube porte-carotte et à assurer une liaison de contrôle ou de commande en cours d'opération. Le bouchon 48 peut en outre contenir des dispositifs mécaniques, tels que suspension souple, dispositif de sécurité, etc ... ou des dispositifs de mesure, de contrôle ou de commande, non représentés sur le dessin. On a montré sur la fig. 4 un agencement analogue appliqué à une turbine comportant un corps tournant 53. On a indiqué en 54 l'arbre creux de la turbine, qui est ici prolongé vers le haut par une chemise d'usure S5 et un raccord 56 le reliant à la tête de raccordement 57. Celle-ci ménage un siège 58 sur lequel peut venir reposer par des ailettes 59 une tige 60 munie à sa partie supérieure d'une tette 61 et portant une olive 62 destinée à ménager avec la paroi intérieure de la chemise d'usure 55 un convergent-divergent. Le centrage de l'olive 62 est réalisé par d'autres ailettes 63 prévues à la base de la tige 60. Dans la position représentée, l'olive 62 se trouve en regard d'orifices 64 ménagés dans la chemise d'usure 55 et le manchon 56 pour faire communiquer la zone de dépression précitée avec l'espace annulaire ménagé entre l'arbre et le corps de la turbine, au-dessus des aubages, cet espace communiquant également avec l'annulaire extérieur par des orifices 65. Le mode d'action du dispositif suivant l'invention est analogue à celui décrit en regard de la fig. 2. La continuité du passage axial à travers l'arbre est obtenue ici comme dans le cas de la fig. 3, et une liaison peut entre assurée avec l'outil par l'intermédiaire d'un élément approprié prolongeant la tige 60 vers le bas. Des modifications peuvent entre apportées aux modes de réalisation décrits, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Turboforeuse, comportant une partie rotorique et une partie statorique munies d'aubages conjugués de telle sorte que la circulation d'un fluide moteur provoque la rotation de la partie rotorique, cette partie statorique étant reliée i la surface par une colonne de tiges permettant l'alimentation en fluide de la turboforeuse,tandis qu'un outil de forage tel qu'un trépan est relié à la partie rotorique, caractérisée en ce qu'une communication est établie, à l'intérieur de la turbine, entre une zone située en aval des aubages de cette turbine et une zone située en amont de ceux-ci, chacune de ces zones se trouvant placée en amont du trépan et de la zone de pollution du fluide à sa sortie de la turboforeuse, des organes étant prévus pour créer, dans cette zone située en amont des aubages, une dépression par rapport à la zone située en aval, de telle sorte que du fluide soit aspiré par cette communication de cette zone située en aval vers cette zone située en amont, en vue d'une réinjection au niveau de cette dernière dans le fluide d'alimentation de la turbine provenant de la surface. 2.- Turboforeuse suivant la revendication 12 caractérisée en ce que les organes créant en amont de la turboforeuse une dépression agissant dans la zone située en aval des aubages de la turbine sont constitués par un éjecteur, un Venturi ou un dispositif équivalent alimenté par le fluide injecté depuis la surface. 3.- Turboforeuse suivant la revendication 1 ou 2, carac toisée en ce qu'elle comprend un arbre creux présentant dans sa paroi des orifices, une discontinuité ou un passage analogue et traversé par le fluide d'alimentation ou par le fluide de recyclage, ces orifices ou ce passage étant disposés en principe au niveau de la zone dans laquelle une dépression est créée. 4.- Turboforeuse suivant la revendication 3, comportant un arbre tournant caractérisée on ce que cet arbre creux présente un prolongement dirigé vers le haut à travers le canal d'un Venturi relié au corps fixe de la turbine, des orifices étant prévus dans la paroi de ce prolongement de l'arbre pour faire communiquer son canal intérieur avec la zone de dépression du Venturi, d'autres orifices étant prévus dans la paroi de l'arbre pour faire communiquer son canal axial avec une zone située à la sortie des aubages de la turbine. 5.- Turboforeuse suivant la revendication 3, comportant un corps tournant et un arbre statorique, caractérisée en cé qu'il est prévu à l'intérieur de l'arbre creux, traversé par le courant de fluide primaire, un dispositif créant une zone de dépression, cet arbre étant ouvert à sa partie inférieure, le courant de fluide moteur traversant les aubages de la turbine en un mouvement inversé par rapport au sens d'écoulement dans l'arbre, des orifices prévus dans la paroi de cet arbre faisant communiquer cette zone de dépression avec une zone située à la sortie des aubages de la turbine, à l'intérieur de ce corps. 6.- Turboforeuse suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le dispositif créant une zone de dépression est constitué par un éjecteur et un convergent-divergent superposés à l'intérieur de l'arbre creux de la turbine. 7.- Turboforeuse suivant la revendication 3, comportant un arbre tournant, caractérisée en ce que l'arbre creux de la turbine est ouvert à ses deux extrémités afin d'assurer une continuité de passage et en ce qu'il est prévu, au-dessus de cet arbre, un manchon fixe ou élément équivalent suspendu à partir du corps de la turbine, ménageant avec l'extrémité supérieure de l'arbre un interstice situé en principe au niveau d'une zone de dépression établie par un Venturi ou dispositif équivalent porté par le corps de la turbine, ce manchon étant obturé pendant le fonctionnement de la turbine. 8.- Turboforeuse suivant la revendication 7, caractérisée en ce que cette obturation est réalisée par une tette ou barre de charge extractible, qui peut renfermer des dispositifs de contrôle, de mesure ou de commande et qui peut être reliée à la surface et (ou) à l'outil par des éléments de liaison comprenant éventuellement des conducteurs électriques ou hydrauliques. 9.- Turboforeuse suivant la revendication 3 comportant un corps tournant et un arbre fixe, caractérisée en ce que cet arbre est ouvert à ses deux extrémités pour ménager une continuité de passage et présente vers sa partie supérieure un siège ou élément d'arrêt pour la suspension d'un ensemble comprenant un organe en forme d'olive ménageant avec la paroi intérieure de l'arbre un Venturi et situé en principe au niveau d'orifi ces communiquant avec l'espace annulaire prévu dans le corps de la turbine autour de l'arbre. 10.- Turboforeuse suivant la revendication 9, caractéri sée en ce que cet organe on forme d'olive renferme des dispositifs de contrôle, de mesure ou de commande et (ou) est relié à la surface et (ou) à l'outil par des éléments de liaison comprenant éventuellement des conducteurs électriques ou hydrauliques.