Brevet FR2272254A1 — publié le 19751219

La présente invention qui s'applique à un trépan de forage à molettes coupantes muni d'évents d'éjection de boue dans le fond du trou est relative à l'équilibrage des pressions de part et d'autre des joints élastiques assurant l'étanchéité entre les molettes et leur tourillon. Un trépan de forage classique, tel que celui représenté à la figure 1, comporte un corps d'outil 1 formé de trois bras et trois molettes 2 de formes approximativement coniqueXgarnies de dents ou de picots en carbure faisant sauter les écailles de roche en tour nanti Chacun des bras comporte un axe 13 orienté vers l'axe central de l'outil et supportant une molette par l'intermédiaire de paliers lisses ou à roulements. Pendant le forage, une boue est injecté en continu dans le train de tiges de forage, sort par les évents de ltoutil et remonte par l'espace annulaire compris entre les tiges et le trou foré. les rou lements à billes et à galets ou les paliers lisses sur lesquels tour nent les molettes sont protégés par un joint d'étanchéité 4 consti tué par une armature en acier (genre rondelle Belleville) enrobée de caoutchouc, qui est généralement solidaire du tourillon et appuie sur une portée usinée de la molette0 le roule principal de ce joint est d'empêcher la boue de forage d'entrer dans les roulements0 Une légère fuite de la graisse des roulements peut être admise pour lubrifier la portée du joint. Chaque bras comporte un réservoir 5 rempli d'un lubrifiantODes conduits percés dans le bras et le tourillon conduisent le lubrifiant du réservoir vers les paliers. Chacun des bras comporte un conduit d'équilibrage des pressions 6 qui relie le réservoir de graisse à ltextérieur où il débouche par un orifice 610Ce conduit permet d'amener la graisse des paliers à une pression égale à celle de la boue0 Un diaphragme souple ou un piston 7 maintient le lubrifiant à l'in térieur du réservoir et simultanément permet la compensation des variations de pressions. la face externe 41 du joint d'étanchéité est soumise à la pres sions extérieure de boue tandis que la face intérieure 42 du joint est soumise à la pression de graisse. Des écarts trop importants en tre ces pressions peuvent entraîner un mauvais comportement du joint. Ai-si,si la pression de la graisse sur la face interne 42 du joint est supérieure à la pression de la boue agissant sur la face externe 41,la force appliquée par le joint sur la molette décrolt et peut devenir nulle. Une quantité de graisse importante peut alors e'é- chapper. Inversement si la pression de la boue sur la face externe 41 est supérieure à la pression de la graisse sur la face interne 42 la force de compression du joint se trouve accrue et il se produit une usure rapide de la portée en caoutchouc. On comprend donc que pour un fonctionnement correct du joint il est nécessaire d'avoir sur les deux faces des pressions sensiblement identiques c'est-à-dire que la pression de boue sur la face externe 41 du joint doit être sensiblement identique à la pression de boue agissant sur le piston ou la membrane du réservoir à graisse, Une étude de l'écoulement de la boue autour d'un tricône à jets a montré, pour différentes conditions de fonctionnement, qugil existe des écarts de pression relativement importants entre la pression au niveau de la face externe 41 du joint et la pression au niveau du conduit d'équilibrage des pressions suivant la position de celui-ci. la position,sur sur la surface du bras, de l'orifice 61 du conduit d'équilibrage des pressions conditionne pour une large part le bon fonctionnement du joint d'étanchéité0 La position de l'orifice doit entre telle que la pression au niveau dudit orifice doit sensiblement égale à la pression agissant sur la face extérieure 41 du joint, Une position fréquemment adoptée par les constructeurs de trépans est illustrée sur la figure 1 et sur la figure 2 (orifice 61). l'orifice 61 du conduit d'équilibrage débouche alors sur le dos du bras dans une zone voisine du filetage du corps de l'outil0 Certains constructeurs ont également prévu un conduit d'équilibrage des pressions débouchant par un orifice 81 placé sous la volte de l'outil comme le montre la figure 3.D'autres constructeurs ont enfin prévu un conduit d'équilibrage des pressions dont l'orifice 91 se situe sur le côté du bras comme le montre la figure 4o L'étude de l'écoulement de la boue autour d'un tricône à jets permet de mettre en évidence les avantages et les inconvénients des trois positions de l'orifice du conduit d'équilibrage, définies ci-dessus, suivant les conditions de fonctionnement. Pour un tricône en train de forer, chacun des orifices 61, 81, 91 conduit à une pression sur la face extérieure du joint qui est supérieure à la pression sur la membrane ou le piston 7. La surpression peut atteindre 4 à 5 kg/cm2. La position de l'orifice 91 (figure 4) correspond à la valeur la plus forte. La plus faible valeur de la surpression est donnée par les orifices 61 et 81 (figures 2 et 3). Ces deux dernières positions sont donc plus avantageuses que la première car elles conduisent à une compression moindre de la portez en caoutchouc du joint d'étanchéité donc à une usure moindre de ce joint, pendant l'opération de forage. les manutentions des tiges de forage lors des opérations de remontée ou (le descente du tricône provoquent des écarts de pression entre la pression sur la face externe 41 du joint d'étanchéité et la pression à proximité de 11 orifice du conduit d'équilibrage des pressions. bizous n'examinerons que les avantages et les inconvénients des positions des orifices 61 et 81 des figures 2 et 3f compte tenu de ce qui a été indiqué dans le paragraphe précédent. Pendant l'opération de remontée des tiges, la pression dans le conduit d t équrlibrage des pressions 6 qui débouche par l'orifice 61 situé près du filetage (figure 2) est supérieure à la pression sur la face externe 41 du joint d'étanchéité. La pression sur la face interne 42 du joint d'étanehéité est supérieure à la pression sur la face externe 41, la surpression atteignant 1 kg/cm20 De ce fait, il peut se produire une fuite de graisse par le joint. la pression à proximité de l'orifice 81 situé sous la voûte de l'ou- til est inférieure à la pression à proximité de la face extérieure 41 du joint. De ce fait, la pression sur la face externe 41 est su périeure à la pression sur la face interne côté graisse. La surpression est également de l'ordre de 1 kglem20 Dans ce cas, la graisse des roulements ne peut s'échapper par le joint. Inversement, pendant les opérations de descente des tiges on constate des surpressions ayant sensiblement les mêmes valeurs que celles indiquées ci-dessus, les phénomènes étant inverses. Pour un trépan équipé d'un conduit dont l'orifice 61 est situé près du filetage, la pression à cet endroit est inférieure à la pression sur la face extérieure du joint. La pression de la graisse à l'intérieur du joint est inférieure à la pression de boue à l'extérieur et il n'y a pas de fuite. Pour un trépan équipé d'un conduit dont l'orifice 81 est situé sous la voûte, la pression à cet endroit est supérieure à la pression sur la face extérieure du joint. La pression de la graisse est supérieure à la pression de boue à l'extérieur du joint et il peut se produire une fuite de graisse. En résumé, le tricône de la figure 2 présente une fuite de graisse--pendant les mouvements de montée rapide. Le tricône de la figure 3 présente au contraire une fuite de graisse pendant les mouvements de descente rapide, l'étanchéité étant assurée pen (lant les mol1vements de remontée rapide. Tttinyention a pour but de palier les inconvénients précités. Elle a pour but de réduire ou d'annuler la surpression agissant sur la face interne du joint d'étanchéité c8té graisse, lors de certains déplacements rapides du tricône dans le puits. Dans le tricône selon l'inventionsla différence entre la pression agissant sur la face supérieure du piston ou de la membrane du réservoir de graisse donc sur la face interne du joint d'étanchéité et la pression sur la face externe du joint d'étanchéité sera voisine de zéro dans le cas de la remontée du tricône dans le puits et atteindra au plus 200 g/cm2 lors de la descente0 Ce nouveau dispositif d'équilibrage des pressions qui réduit d'une façon notable la surpression agissant sur la face interne du joint permet par conséquent à ce dernier de rester étanche lors des déplacements rapides de l'outil de forage dans le puits.L'invention fournit par ailleurs un tricône perfectionné dans lequel il ne se produit pas de surpression sur la face interne du jo-int d'étanchéité, mdme lors des mouvements de descente rapide. le trépan de forage selon l'invention comporte - un corps qui comprend trois bras latéraux entre lesquels s'étend une voûte, - trois axes montés chacun au bas d'un bras et orientés vers- l'axe central du corps, - un filetage de raccordement à des tiges de forage, - des buses de passage d'une boue entre l'intérieur du corps et l'extérieur, - Res molettes montées sur les axes par l'intermédiaire de paliers, - des joints d'étanchéité entre les molettes et leur axe de support, - des réservoirs de graisse creusés dans le corps de l'outil et rac cordés aux paliers, - des éléments de séparation des réservoirs en deux chambres à vo lunes variables et étanches l'une par rapport à l'autre, la cham bre connectée aux paliers d'une molette contenant la graisse, l'autre chambre étant soumise à la pression de la boue, et il est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte en oombi- naison - au moins un conduit de communication entre l'extérieur et chaque chambre soumise à la pression de boue, ledit conduit débouchant par au moins un orifice situé sur le dos du bras à proximité du filetage, - au moins un conduit de communication entre l'extérieur et chaque chambre soumise à la pression de boue, ledit conduit débouchant par au moins un orifice situé à l'intérieur du bras, sous la voûte du corps. Selon une autre caractéristique de l'invention, le trépan de forage comprend : - une soupape unidirectionnelle disposée sur le conduit de communi cation débouchant sur le dos d'un bras et n'autorisant le passage de la boue que vers l'extérieur, - une soupape unidirectionnelle disposée sur le conduit de communi cation débouchant sous la voûte et n'autorisant le passage de la boue que vers 11 extérieur, - une liaison des clapets des soupapes de manière que l'un des cla pets ferme un conduit tandis que l'autre clapet laisse 11 autre conduit ouvert. 'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à des modes de réalisation donnés à titre d'ex emDles et représentés sur les dessins annexés. La figure 5 est une coupe axiale d'un tricône doté d'un premier système d'équilibrage des pressions conforme à l'invention. La figure 6 est une coupe axiale d'un tricône doté d'un second système d'équilibrage des pressions conforme à l'invention. La figure 7 représente la section des clapets des soupapes. le tricône représenté sur la figure 5 comprend un corps 1 muni à sa partie supérieure d'un manchon fileté ti permettant la fixation à l'extrémité inférieure d'un train de tiges de forage. Be corps comprend trois bras identiques 12 prolongés chacun par un axe 13 orienté vers l'axe central de l'outil. Chacun de ces axes 13 forme un tourillon sur lequel tourne une molette conique 2 garnie sur sa surface extérieure d'éléments de coupe qui désintègrent la roche lorsque le trépan est mis en rotation, le guidage de chacune des molettes 2 sur son axe 13 est assuré par un ensemble de paliers le corps du trépan forme une chambre 14 à partir de laquelle la boue de forage est injectée sous pression vers le fond de trou, au travers d'évents non représentés.La boue de forage à la sortie des évents lave les éléments de coupe des molettes et le fond du trou de sonde puis remonte dans l'espace annulaire qui separe le train de tiges de forage et la paroi du trou de sonde. l'étanchéité est assurée par des joints 4 généralement solidaires des tourillons et appuyant sur les portées usinées des molettes. La face extérieure 41 des joints d'étanchéité est soumise à la pression de la boue, tandis que la surface intérieure des iotats est soumise à la pression de la graisse de lubrification de paliers0 Chacun des bras de l'outil est percé d'un réservoir 5 con tenant la. graisse de lubrification de paliers, des canalisations re liant ledit réservoir aux paliers0 Un piston ou une membrane 7 di vise le réservoir 5 en deux chambres étanches l'une par rapport à l'autre, la chambre inférieure 52 contenant la graisse de lubrifi cation des paliers, la chambre supérieure 51 étant soumise à la pression de la boue de forage0 La pression de la boue de forage est donc transmise à la graisse par l'intermédiaire de ce piston ou de cette membrane qui autorise la diminution du volume de la chambre à graisse 52 au fur et à mesure de l'utilisation-du trépan. L'équilibrage des pressions objet de l'invention consiste à faire communiquer la chambre 51 avec l'extérieur, d'une part à l'aide d'un conduit 6 débouchant par un orifice 61 à proximité du filetage du corps de l'outil, d'autre part à l'aide d'un conduit 8 débouchant par un orifice 8t sous la volte du bras de l'outil. Lors des opérations de remontée des tubes de forage, une circulation de boue va s'établir à travers les conduits 6 et 8, de l'orifice 61 vers l'orifice 81, ctest-à-dire de la zone de haute pression vers la zone de la vote qui est à ce moment là en dépres sion0 Lors de la descente du tricône la boue circulera en sens inverse. La chambre 51, située sensiblement à mi-chemin des orifi ces 61 et 81 des conduits 6 et 8 sera soumise pour ces deux cas de fonctionnement à une pression en valeur absolue plus faible que cel le rencontrée dans les tricônes n'ayant qu'un seul trou d'équilibrage. La valeur de la surpression (ou de la dépression) à l'o- orifice 61 du conduit 6 est pratiquement égale et opposée à la va leur de la dépression (ou de la surpression) à l'orifice 81 du con duit 8o Ainsi pendant la remontée du tricône, la surpression est de +1 kg/cm2 à ltorifice 61 du conduit 6, la dépression étant de - 1kg/ cm2 à l'orifice du conduit 8. A l'inverse, pendant la descente du tricône la dépression à l'orifice du conduit 6 est de-1,2 kg/cm2, la surpression à orifice du conduit 8 étant de+1s4 kg/cm20 On peut ainsi admettre qu'avec deux conduits d'équilibrage de section appro priée la surpression agissant sur la face supérieure du piston ou de la aemhrane du réservoir de graisse, donc sur la face interne du joint d'etanchéité sera voisine de zéro dans le cas de la remontée du tricône dans le puits et atteindra au plus 200 g/cm2 lors de la descente. 5sWous avons noté précédemment que par rapport à la pression de la boue au voisinage de la surface extérieure 41 du joint d'étan chBité,la pression à l'orifice 61 est inférieure pendant la descente du tricane,la pression à l'orifice 81 étant -inférieure pendant la montee du tricône, le mode de réalisation représenté à la figure 6 permet de mettre en communication l'orifice 61 avec la chambre 51 à la descente du tricône, l'orifice 81 étant isolé, et d'autre part de mettre en communication l'orifice 81 avec la chambre 51 pendant la montée du tric8ne, l'orifice 61 étant isolé. la pression de boue agissant sur la surface supérieure du piston 7 est donc toujours inférieure à la pression de boue au voisinage de la surface extérieure 41 du joint d'étanchéité. La canalisation 6 conduisant de l'orifice 61 situé près du filetage à la chambre 51 est équipée d'une soupape unldirection- nelle formée d'un clapet 91 et d'un siège 31, ladite soupape ne laissant passer le fluide que vers l'extérieurO La canalisation 8 conduisant de orifice 81 situé sur la volte de l'outil à la chambre 51 est équipée d'une soupape unidirectionnelle formée d'un clapet 92 et d'un siège 32, ladite soupape ne laissant passer le fluide que vers l'extérieur. les clapets 91 et 92 dont la section est représentée sur la figure 7 sont réunis par une tige de liaison 93 de manière que l'un des clapets puisse fermer une canalisation tandis que l'autre clapet laisse l'autre canalisation ouverte. lors de la remontée du tricône la différence de pression de boue aux orifices 61 et 81 fait appliquer le clapet 91 contre le siège 31, le clapet 92 étant dégagé du siège 32, selon la position représentée sur la figure 5. La canalisation 6 est alors obturée. La canalisation 8 étant à ce moment là en communication avec la chambre 51 située au-dessus du piston 7, la pression près de ltori- fice 81 étant alors inférieure à la pression de boue du voisinage de la face externe du jointe Lors de la descente du tricone la différence de pression de boue entre les canalisations 6 et 8 fait appliquer le clapet 92 contre le siège 32,le clapet 91 étant dégagé du siège 31. La cana- lisation 8 est alors obturée0 La canalisation 6 est à ce moment là en communication avec la chambre 51 située à la partie supérieure du piston 7, la pression à l'orifice 61 étant alors inférieure à la pression de boue au voisinage de la face extérieure du joint. La pièce constituée par les clapets 91, 92, et la pièce de liaison 93 est montée dans un bouchon 3 soudé à l'extrémité du trou de réserve de graisse 5. les sièges 31 et 32 sont ménagés dans le bouchon 30 Un alésage 34 allant du siège 31 au siège 32 réunit la canalisation 6 à la canalisation 8. Un alésage 33 réunit l'alésage 34 à la chambre 51. Sur le diamètre extérieur du bouchon 3 est usinée une gorge 55 permettant de loger la bague d'étanchéité 36o REVE1iDICATIONS 10- Trépan de forage comportant : - un corps qui comprend trois bras latéraux entre lesquels s'étend une voûte, - trois axes montés chacun au bas d'un bras et orientés vers l'ase central du corps, - un filetage de raccordement à des tiges de forage, des buses de passage d'une boue de forage entre l'intérieur du corps et l'extérieur, - des molettes montées sur les axes, par l'intermédiaire de paliers, des joints d'étanchéité entre les molettes et leur axe de support, - des réservoirs de graisse creusés dans le corps de l'outil et raccordés aux paliers, - des éléments de séparation des réservoirs en deux chambres à vo lumes variables et étanches l'une par rapport à 11 autre, la cham bre connectée aux paliers d'une molette contenant la graisse, l'autre chambre étant soumise à la pression de la boue,caractéri- sé par le fait qutil comporte en combinaison avec les éléments précédents - au moins un conduit de communication entre l'extérieur et chaque chambre soumise à la pression de boue, ledit conduit débouchant par au moins un orifice situé sur le dos du bras à proximité du filetage, - au moins un conduit de communication entre l'extérieur et chaque chambre soumise à la pression de boue, ledit conduit débouchant par au moins un orifice situé à l'intérieur- du bras, sous la volte du corps0 20- Trépan de forage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte t une soupape unidirectionnelle disposée sur le conduit de commu nication débouchant sur le dos d'un bras et n'autorisant le pas sage ae la boue que vers l'extérieur, - une soupape unidirectionnelle disposée sur le conduit de commu nication débouchant sous la voûte et n1 autorisant le passage de la boue que vers l'extérieur, - une liaison des clapets des soupapes de manière que l'un des clapets ferme un conduit tandis que 11 autre clapet laisse l'au tre conduit ouvert,