Brevet FR2203015A1 — publié le 19740510

L'objet de la présente invention est une foreuse permettant de faire des travaux de reconnaissance des fonds marins. Elle permet à cet effet d'effectuer des forages et des carottages. On connaît des installations de forage de ce genre, qui fonctionnent en association avec un navire de surface pour leur mise en exploitation. Toutefois, les installations connues nécessitent l'emploi de plongeurs sous-irarinsqui assistent et exécutent diverses manoeuvres au fond de la mer. Cela limite la profondeur des fonds où de telles installations peuvent astre mises en oeuvre, cette profondeur ne devant pas dépasser la limite permise pour deiblongeurs, qui est en pratique de l'ordre de 30 mètres.De plus, l'emploi de plongeurs ne peut se faire dans de bonnes conditions que par mer calme, dans des zones dépourvues de courants importants, ce qui limite le champ d'application de ce iodle de forage, lequel est d'ailleurs d'exécution relativement lente à cause des sujétions liées à l'emploi de plongeurs. L'invention a pour objet une foreuse sous-narine dont le champ d'action est relargi du fait qu'elle ne nécessite pas 1'expioi de plongeurs et qu'elle permet en conséquence de faire des forages et des carottages à des profondeurs atteignant 500 mètres en présence de courants marins, tout en procurant une réduction du temps d'opération nécessaire. A cet effet, une foreuse selon l'invention est un ensenble mécanique qui est descendu au moyen d'un treuil d'un navire au fond de la mer où il repose par un piétement d'assiette réglable; ledit ensemble mécanique reçoit des tubes de forage et des carottiers descendus du navire au moyen d'un palonnier, possède au moins des moyens de mise en rotation et en translation desdits tubes et des dispositifs de saisie des tronçons de tubes pour leur manipulation, notamment en cours de vissage ou de dévissage, lesdits moyens permettant en particulier de constituer un train de tubes de forage et d'y ajouter et d'en retirer des tubes; le fonctionnement de tous les appareils composant la foreuse, dans leurs diverses phases de travail, est télécommandé à partir du navire, lequel reçoit des inforeations de la foreuse par télémesure. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exenples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 représente schématiquement l'ensemble d'une installation de forage selon l'invention. La figure 2 représente une vue en élévation d'une foreuse proprement dite selon l'invention, la table de rotation étant en position haute. La figure 3 représente à plus grande échelle une coupede excentrés/ la courronne d'entrainement à galets /selon la ligne III-III de la figure 6. La figure 4 représente en élévation une partie de l'objet de la figure 2, mais d'un point de vue décalé de 90-J la table de rotation des tubes étant en position basse. La figure 5 représente une coupe selon la ligne V-V de la figure 4. La figure 6 représente à plus grande échelle une vue analogue à celle de la figure 4, avec coupe du mécanisme d'entratnement en rotation des tubes. Une installation de forage à télécommande selon l'invention comprend essentiellement une foreuse 1 qui se trouve, en position d'exploitation, posée sur le fond de la mer 2 et dont le fonctionnement est gouverné par télécommande à partir d'un navire de surface 3 qui se tient à l'aplomb de ladite foreuse. La foreuse 1 et le navire 3 sont reliées par une paire de câbles 4, verticaux, parallèles et distants de 1 mètre environ, fixés à leurs extrémités inférieures à une plate-forme 5 de la foreuse par l'intermédiaire de quatre suspentes 49 attachées à quatre points d'ancrage 50 de cette dernière; ces câbles s'enroulent à leur partie supérieure sur le tanbour double 6 d'un treuil monté sur le navire 3.La manoeuvre de ce treuil permet de descendre au fond de la mer et de remonter à bord du navire la foreuse 1; en outre, ce treuil maintien constante durant un forage la tension des câbles 4 qui servent de guides à un palonnier 7 assurant le transport des tubes de forage 8 entre la foreuse et le navire; ledit palonnier est à cet effet accroché à un câble 9 qui s'enroule à sa partie supérieure sur le tambour 10 d'un autre treuil monté à bord du navire. La foreuse 1 repose au fond de la mer sur un pi4tement tripode formé de trois pieds 11 soutenant la plate-forme 5 en trois points d'appuis décalés de l20. Chaque pied ll comprend un vérin hydraulique à double effet 12, à axe vertical, relié par une liaison à rotule à une semelled'ancrage 13 dont la face inférieure, en contact avec le fond 2 de la mer, est croisillonnée pour éviter tout ripage de la foreuse en course travail.Les vérins 12, qui ont une course deloe cm environ et une force de poussée de 5 tonnes, permettent, par une commande individuelle, fondée sur l'état de trois contacts électriques à mercure, d'assurer une assise horizontale à la plate-forme 5 de la foreuse malgré les irrégularités du fond de la mer 2. Ces nixes vérins sont également utilisables, par commande simultanée en synchro naisse, pour l'arrachage, par la table de rotation, des tubes de forage en cas de besoin. Pour ces différentes utilisations, lesdits vérins sont télécomnandés à partir du navire de surface, avec le concours de capteurs d'effort judicieusement disposés et d'un dispositif d'équilibrage de leur vitesse respective en cas de commande simultanée. Sur la plate-forme 5 est monté le dispositif d'entratnement mécanique 14 des tubes de forage. Ce dispositif a pour r81e d'imprimer aux tubes des mouvements de rotation en vue du vissage et du dévissage des tronçons de tubes, ainsi que du forage proprement dit, et de translation longitudinale soit vers le bas, pour forer, soit vers le haut, pour remonter les tubes qui traversent axialement ledit dispositif. A cet effet, le dispositif 14 comporte des noceurs 15 fixés sous un bati circulaire horizontal 16 qui actionnent une couronne d'entrainement 17 enserrant le tube de forage. D'autre part, ledit bâti 16 est relié à la plate-forme 5 par deux vérins hydrauliques verticaux 18, à double effet, dont les points d'attache 19 au bati 16 sont diamétralement opposés par rapport à son axe vertical. Ces vérins permettent ce déplacer verticalement, donc dans la direction de l'axe dts tubes de forage, le dispositif d'entratnement 14 par son bâti 16, lequel est guidé par deux manchons 20 décalés de 90- par rapport aux points d'attache 19 des vérins 18 et glissant le long de deux tiges 21 verticales montées d'une manière appropriée sur la plate-forme 5. Les vérins 18 ont une course de 100 Cm limitée par des dispositifs de fin de course hydrauliques ou électriques; les efforts qu'ils impriment aux tubes de forage par l'intermédiaire du dispositif 14 sont réglables par télco-ande, l'effort de poussée global étant limité à 2 tonnes et l'effort de traction à 5 tonnes; la vitesse de descente et de remontée des tubes de forage qui en résulte est également télécommandée au moyen d'un dispositif de réglage du débit du fluide hydraulique d'alimentation.La longueur et la vitesse de translation des tubes de forage sont mesurées par un capteur 68 disposé sous la plateforme 5, à proximité du tube de forage 8B qui la traverse; ce capteur comporte un galet rotatif dont les mouvements sont transmis par télémesure au navire. La mise en rotation d'un tube de forage 8A est réali sée par la couronne d'entratnement 17 qui comporte trois paires de galets d'entranement 22 montés dans un carter 23 en forme de cylindre aplati coaxial au tube de forage 8A. Les galets 22 ont une forme générale cylindrique dont l'axe est parallèle à celui du tube 8A. Ils sont montés sur des pivots 24 liés au carter 23 et excentrés par rapport à l'axe des galets alternativement dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse et s'appuient par une génératrice de leur surface cylindrique contre la surface extérieure du tube 8A, sous la poussée de ressorts à lame 25.De cette manière, quel que soit le sens du mouvement de rotation qui doit être imprimé au tube 8A, il y a toujours un galet de chaque paire qui s'arc-boute sur ledit tube et lui transmet le mouvement de rotation du carter 23. Trois dispositifs 26, un par paire de galets 22, permettent d'écarter ces derniers du tube 8A qui peut alors autre librement introduit dans la table de rotation ou extrait de celle-ci, lorsqu'elle ne tourne pas. Le carter 23 et les galets 22 sont réalisés en acier inoxydable; l'accès aux galets est aisé et leur remplacement peut autre effectué rapidement. Le carter 23 de la table de rotation est boulonné par son flasque inrérieur à une bride 26 soudée coaxialement à la partie supérieure d'un manchon 27 qui entoure le tube 8A et est supporté par deux couronnes à rouleaux coniques 28, 29 montées sur le bati 16 et constituant des butées supérieure et inférieure. Entre ces couronnes de roulement, le manchon 27 est pourvu d'une couronne dentée 30 coaxiale sur laquelle s' engrènent-- --des pignons dentés 31 clavetés respectivement sur les arbres 32 des moteurs hydrauliques 15, lesquels sont au nombre de quatre. La mise en service d'un au moins des moteurs 15 met en rotation le tube 8A et le train de tubes dont il fait éventuellement partie. Selon le nombre de moteurs 15 actifs choisi par télécomnande des circuits d'alimentation hydraulique de ces moteurs, le couple d'entraînement disponible varie; en pratique > on modifie la valeur de ce couple selon qu'il s'agit de visser un tronçon de tube sur le train de tubes, de l'en dévisser ou d'exécuter un forage. La vitesse de rotation des tubes est réglable de O à 300 tr/mn.Le volume annulaire 35 intérieur au carter que constitue le bati 16 pour les pignons de transmission 30, 31 est rempli d'huile hydraulique et rendu étanche par des bagues d'étanchéité 33, 34 entourant le manchon d'entraînement 27 de part et d'autre des couronnes de roulement 28, 29 de ce dernier. A la partie inférieure des moteurs 15 est fixé un flasque 36 annulaire, que traverse le tube de forage 8 B et qui supporte deux vérins 37, 38 diamétralement opposés et dont les tiges 39, 40, dirigées vers le tube 8A, B portent des mâchoires 41, 42 qui peuvent enserrer ce dernier, chaque mâchoire l'enveloppant sur 90*. Ces mgehoires sont interchangeables pour s'adapter au diamètre des tubes de forage. Ces deux ensembles 37, 39, 41 et 38, 40, 42 constituent un étau de serrage à commande hydraulique.Un autre étau semblable, formé des pièces 43J 45, 47 et 44, 46, 48, est disposé d'une manière analogue sur la face supérieure de la plate-forme 5 pour enserrer un tube84, Le serrage et le desserrage de ces étaux est télécommandé et intervient notamment dans les phases de vissage et de dévissage de tronçons de tubes 8A, 8B. Lesdits étaux jouent aussi le rôle de pièces de guidage pour les tubes de forage. Les tronçons de tubes de forage 8 et les carottiers sont successivement descendus ou remontés au moyen du palonnier 7 accroché au câble 9 du tambour de treuil 10 et guidé par les câbles 4. Les pièces constitutives du palonnier sont réalisées en acier, avec des bagues en bronze pour le passage des cabales. Chaque tube 8 est suspendu selon l'axe du palonnier par un couvercle 51 accroché au câble 9; ce couvercle est un aimant qui retient le tube 8 par magnétisme, ce dernier pouvant en être libéré par simple traction sur le câble 9 après prise en charge par la foreuse 1. Ce palonnier permet aussi, avec un couvercle différent, de faire descendre des carottiers. Un tube de forage 8 descendu par le palonnier 7 pénètre axialement dans la foreuse 1 par un entonnoir de guidage 52 surmontant coaxialementla noTed'entratneacnt 17 et solidaire du ti 16 par l'intermédiaire de deux supports symétriques 53. Sur ces supports est également boulonné un dispositif télécommandé permettant d'injecter à l'intérieur des tubes de forage de l'eau ou des boues durant l'opération de forage, par mise en place au sommet d'un tube 8A d'un couvercle d'injection 54 qui s'y adapte et reçoit de l'eau ou des boues de forage par un tuyau flexible 55 qui lui est raccordé par un joint tournant 65. Ce couvercle 54 est articulé autour d'un axe horizontal transversal 56 surmontant à faible distance le bord supérieur de l'entonnoir 52, et il peut titre animé de mouvements radiaux ou rotatifs par rapport à cet axe.A cet effet, à la partie supérieure des supports 53 sont montés, de part et d'autre du tube 8A, un palier 57 et un vérin rotatif 58 définissant ledit axe 56 et portant respectivement l'extrémité inférieure de deux vérins linéaires 59, 60 disposés radialement et dont l'autre extrémité est fixée à un support 61 du couvercle d'injection 54. Le vérin rotatif 58 peut faire pivoter autour de l'axe 56 l'ensemble des pièces 59, 60, 61, 54 et 65, d'un angle A au moins égal à 90, et les vérins linéaires 59, 60 permettent de lever ou d'abaisser le couvercle 54 par son support 61, avec une excursion maximale de 300 mm. On peut ainsi, par la commande conjuguée des vérins 58, 59 et 60, ces deux derniers étant réglés pour donner un effort de traction rigoureusement identique, coiffer le sommet du tube 8A du couvercle d'injection 54, ou l'en libérer. L'injection de boues est réalisée par une pompe 62 montée sous la plate-forme 5 et entratnee par un moteur hydraulique . Cette pompe reçoit les boues de forage du navire de surface par un tuyau souple 63, et le réglage de sa vitesse s'effectue à l'aide d'un dispositif électrique de commande d'un régulateur de débit. La pression d'injection est réglée au moyen d'une soupape de décharge dont le réglage est télécommandé entre O et 40 bars. Tous les moteurs et vérins hydrauliques de la foreuse 1 sont alimentés par une centrale hydraulique ismergde 64 montée avec la plate-forme 5. Cette centrale comporte un moteur électrique de 55 kVA environ, immergé dans une huile diélectrique, qui est alimenté par cible k partir du navire de surface. Ce moteur tourne à 1500 train et entrasse deux pompes hydrauliques noyées dans une banche à huile hydraulique. L'une des pompes, dont le débit variable est commandé par voie électro-hydraulique, alimente les moteurs hydrauliques de mise en rotation des tubes le moteur de/ de forage. L'autre pompe, à débit constant, actionne/la pompe d'injection de boue et les autres appareils hydrauliques de la foreuse. A la centrale hydraulique sont associés des accumulateurs oléo-pneumatiques qui assurent la mise en équipression avec le milieu marin, en fonction de la profondeur d'immersion de la foreuse, de la bâche à huile hydraulique, du carter des pignons et des couronnes d'entratnement en rotation et du carter du moteur électrique repli d'huile diélectrique. Tous les appareils de distribution ou de contrôle qui sont commandés électriquement sont réunis dans un bottier rempli d'huile mise également en équipression par un accumulateur oléo-pneumatique. La mise en équipression se fait à partir d'une vessie de transfert sur laquelle s'exerce la pression extérieure; cette dernière peut autre équilibrée jusqu'à30Obars, ce qui correspond à une profondeur d'iersion de3000mêtres environ. Comme on l'a vu dans ce qui précède et cosse on va le préciser maintenant, toutes les opérations de fonctionnement de la foreuse au fond de la mer sont télécommandées à partir du navire de surface et surveillées par télémesure. A cet effet, un pupitre de commande 66 est mont à bord du navire; il comprend tout le matériel de commande et de contre de la foreuse, à laquelle il est relié par un câble 67 qui comporte, répartis autour de trois conducteurs d'alimentation du moteur électrique de la centrale de la foreuse et d'un câble porteur, soixante-dis conducteurs transmettant les signaux de télécommande et de télémesure.Les raccordements électriques de surface se font par fiches branches; les racoordesents sur la foreuse font appel à des prises étanches immergeables remplies de résine isolante. Les principaux organes de la foreuse télécommandés sont les suivants - moteur électrique de la centrale hydraulique; - vérins 12 du tripode (effortde poussée ou de traction, avec commande individuelle ou simultanée); - vérins 18 de translation de forage (effort et vitesse de poussée ou de traction); - vérins 37, 38 et 43, 44 des étaux de serrage des tubes de forage,et 58,60 et 61 du couvercle d'injection de boues; - pompe d'injection de boues 62 (vitesse de la pompe et réglage de sa soupape de décharge); - moteurs hydrauliques de forage 15 (mise en circuit); - pompe d'alimentation des-moteurs de forage (débit). Les principaux paramètres faisant l'objet d'une télémesure sont les suivants - état des contacts d'horizontalité de la plateforme 5; - pression exercée par chaque vérin de- tripode; - débit de la pompe à boues 62; - débit de la pompe d'alimentation des moteurs de forage; - longueur et vitesse de translation des tubes de forage; niveau du fluide hydraulique dans la boche (détection de fuites et arrêt du moteur de la centrale). Toutes ces télécommandes et télémesures sont réalisées à l'aide de dispositifs d'actionnement ou de réglage et de capteurs appropriés et judicieusement disposés sur la foreuse, et de dispositifs de commande et d'affichage groupés sur le pupitre de commande 66. On a prévu en outre une télésurveillance acoustique de la marche de la table de rotation par transmission des bruits qu'elle émet en cours de fonctionnement à un opérateur à bord du navire. Un groupe électrogène de 100 kVA destiné à alimenter l'ensemble de l'installation de forage, et en particulier le moteur de la centrale hydraulique iarergée et les treuils de manoeuvre, est place, en association avec une armoire de eontr81e , à bord du navire. il va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, on peut apporter ---- des modifications aux diodes d'exécution qui viennent d'autre décrits. - REvENDICATIONS 1. - Foreuse immergeable permettant de réaliser des travaux de reconnaissance par forage et carottage de sols au fond de l'eau, en particulier en milieu sous-marin, constituant un ensemble mécanique qui peut autre descendu, au moyen d'un treuil d'un navire de surface, au fond de l'eau où il repose par un piétement approprié, caractérisée par le fait qu'elle est munie de moyens mécaniques pour l'exécution des diverses opérations de forage avec carottage sans nécessiter la présence de personnel en plongée, Ces moyens mécaniques réalisant notamment la formation au fond de l'eau d'un train de tubes de forage par ajouts successifs de tubes reçus de la surface de l'eau, la mise en rotation avec translation du train de tubes, sa dissociation, I1 injection de boues de forage et la mise en place de carottiers, le fonctionnement et la surveillance desdits moyens mécaniques étant assurés par commande et mesure à distance. 2.- Foreuse selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comporte des organes télécommandés de réglage de l'alimentation en énergie desdits moyens mécaniques, et des capteurs mesurant tous les paramètres nécessaires de position et de mouvement de ces moyens mécaniques et permettant leur transmission à distance. 3.- Foreuse selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait qu'elle comporte une table de rotation assurant la mise en rotation des tubes de forage par l'intermédiaire de dispositifs mobiles de serrage et couplée à un dispositif moteur comprenant au moins un moteur d'entratnement dont la marche est télécommandée. 4.- Foreuse selon la revendication 3, caractérisée par le fait que le dispositif moteur comprend une pluralité de moteurs d'entratnement, le nombre de moteurs fournissant un couple étant modifiable à distance. 5.- Foreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait qu'elle comporte au moins un vérin télécommandé dont l'actionnement assure les mouvements de translation des tubes de forage en faisant varier la distance qui sépare l'ensemble constitué par la table de rotation et par son dispositif moteur du pie fiement de la foreuse, cette distance étanttéldmesuree. 6. - Foreuse selon l'une quelconque des revendications 1 k 4, caractérisée par le fait qu'elle est munie de deux étaux superposés à vérins télécommandés, qui permettent de guider et d'immobiliser par leurs mtchoires les tubes de forage, l'un desdits étaux étant lié au piétement et l'autre, qui le surmonte, étant lié à une pièce non rotative supportant la table de rotation. 7.- Foreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait qu'elle est munie d'un dispositif d'injection de boues de forage qui comprend une pompe à boues alimentant un couvercle d'inJection mobile adaptable à l'extré- mité supérieure d'un tube de forage sous l'action de vérins télécommandés de mise en place montés sur la pièce non rotative supportant la table de rotation. 8.- Foreuse selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que son piétement comprend des pieds de hauteur réglable par vérins télécommandés, l'angle d'assiette de la foreuse et la pression exercée sur les pieds étant mesurés par capteurs. 9.- Foreuse selon l'une quelconque des revendications 1 b 8, caractérisée par le fait que les moteurs, vérins, pompe à boues et autres moyens mécaniques qu'elle comporte sont des appareils à commande hydraulique et qu'elle est munie d'une centrale hydraulique leur fournissant un fluide hydraulique sous pression convenable. 10.- Foreuse selon la revendication 9, caractérisée par le fait que la centrale hydraulique comprend au moins une pompe k débit variable pour l'alimentation du dispositif moteur de la table de rotation et une pompe k débit constant pour l'alimentation des autres appareils hydrauliques, lesdites pompes étant actionnées par un moteur dont le fonctionnement est télécommandé. 11.- Foreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 > caractérisée par le fait que les cavités, carters et boftiers creux qu'elle comporte sont remplis d'huile mise en équipression avec le milieu aqueux environnant au moyen d'accumu lateurs oléo-pneumatiques. 12.- Foreuse selon l'une quelconque des revendications 1 k 11, caractérisée par le fait que la transmission des ordres de télécommande et des informations de télémesure est faite par voie électrique entre la foreuse et un pupitre d'exploitation.