Brevet FR2283302A1 — publié le 19760326

a présente invention concerne les têtes rotatives de forage. de puits tels que les puits de pétrole et elle concerne plus particulièrement une t8te rotative d forage à double trépan comprenant un berceau muni de deux j eux de molette ct un dispositif qui permet de retourner le berceau lorsque le premier jeu de molettes est usé pour que les molettes neuves du second jeu puissent entre à leur tour utilisées pour continuer à forer le puits dans le sol. Au cours du forage d'un puits destiné à la recherche de pétrole, de gaz, etc., et en particulier lorsque ltopération s'effectue à des profondeurs de 11 ordre de plusieurs milliers de mètres par rapport à la surface du sol, il devient essentiel que la tette de forage travaille sans incident jusqu'à usure complète des molettes avant qu'elle soit extraite du puits et remplacée pal un nouvel outil, ceci en raison du temps et des frais nécessités par le relevage et le démontage du train de tiges, puis de son remontage après la mise en place d'un trépan neuf. Si le trépan continue à être utilisé après que les dents des molettes sont complètement usées, il devient pratiquemert inefficace et ne continue pas à forer le puits.Si un palier du trépan est usé ou détérioré, une des molettes peut tomber dans le puits et dans ce cas, elle doit titre repêchée selon une tecbnique classique par une opération à la fois longue et très conteuse. Si par contre, la tete de forage est extraite du puits avant son usure complet, elle est pratiquement inutilisable, car il n'est pas possible de la réintroduire dans un puits profond en raison de la duree et des frais d'extraction et de remise en place. L5invention a pour objet une tette de forage à double usage, qui comprend deux trépans montés dos à dos sur un berceau unique et un dispositif faisant sélectivement basculer le berceau pour placer en position de travail un trépan neuf après que le premier trépan a été usé complètement. Cette disposition permet de réduire considérablement la durée du remplacement du trépan. L'invention sera décrite ci-après en regard des dessins annexés à titre à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une vue éclatée en perspective de la tSte de forage de l'invention et montre notamment les trépans jumelés disposés sous le carter la figure 2 est une coupe verticale montrant les trépans dans levr position rétractée la figure 3 est une coupe verticale montrant les trépans dans leur position d1extension et ayant tourné de 900 par rapport à leur position de la figure 2 la figure 4 est une élévation selon la ligne 4-4 de la figure 3 la figure 5 est une vue à grande échelle illustrant un détail du dispositif faisant basculer le berceau des trépans autour d'un axe horizontal ; et la figure 6 est une cc1npe selon la ligne 6-6 de la figure 2. La tette de forage B représentée dans son ensemble sur la figure 1 comprend un carter H et un berceau C sur lequel sont montés respectivement un trépan supérieur U et un trépan inférieur L. le berceau C est articulé sur les deux branches verticales dlun mécanisme à étrier Y qui sera décrit ci-après. la tette B de l'invention est introduite dans le fond du puits en cours de forage et on la laisse tourner jusqutà ce que les molettes du trépan inférieur L soient complètement usées.A ce moment, un dispositif abaisse étrier Y de sa position rétractée de la figure 2 à sa position d'extension de la figure 1 puis il fait tourner le berceau C de 1800 pour inverser les trépans et diriger le trépan supérieur U vers le fond du puits pour que les molettes neuves de celui-ci puissent continuer à forer le trou dans le sol. Ainsi, grace aux dispositifs de l'invention, un trépan usé peut titre remplacé rapidement par un nouveau trépan non usé sans quril soit nécessaire de remonter l'ensemble du train de tiges de forage au-dessus de la surface du sol pour échanger le trépan usé. le carter H représenté sur les figures 1 et 2 comprend un corps cylindrique tubulaire il dont la partie supérieure se raccorde par une paroi annulaire tronconique 12 à une douille tubulaire taraudée 13 de plus petit diamètre. Cette douille se visse par exemple sur le nez fileté dùn collier de forage ou d2un autre élément solidaire de 11 extrémité inférieure du train de tiges de forage (non représenté). le corps tubulaire 11 comprend un alésage axial 15 qui communique avec le trou central t6 de la douille 13 par laquelle le fluide de forage est injecté dans la t8te de manière qui sera décrite ci-après. Un piston 20 coulisse dans l'alésage 15. Comme on le voit sur la figure 2, la partie inférieure de ltalésage 15 comprend une collerette radiale intérieure 22 sur laquelle slappuie 1:. extrémité inférieure d'un ressort hélicoidal 24. L'extrémité supérieure du ressort 24 13appuie contre un épaulement annulaire extérieur 26 de Itextrémité supérieure du piston 20. De ce fait, le ressort 24 repousse élastiquement le piston 20 vers le haut dans l'alésage 15.Un joint torique 27 ancré dans une gorge radiale de -la collerette inférieure 22 assure ltétanchéité de la surface extérieure 201 du piston 20 et de mtme un joint annulaire 29 ancré dans une gorge radiale du sommet 26 du piston est en contact étanche avec la surface intérieure de 1 'alésage 15. le piston 20 comprend une chambre intérieure 28 dont le diamètre correspond sensiblement à celui du trou 16 de la douille taraudée 13 du carter. De préférence, cette chambre est orientée axialement et son extrémité supérieure se raccorde à la face supérieure du piston par une cuvette tronconique 30 évasée vers le haut. le fond 32 de la chambre 28 du piston est arrondi ou conique et il comprend un trou central 33 dans lequel coulisse un tube 35 fixé lui-meme sur la paroi radiale 37 qui constitue le fond du carter 11. Comme on le voit sur les figures 2 et 3, le tube 35 se prolonge dSune part vers le haut par rapport à la paroi radiale 37 et passe par le trou central 37 dans la chambre 28 du piston 20 et d'autre part vers le bas à partir également de la paroi 37 et passe dans un trou correspondant du berceau C qui sera décrit ci-dessous. le tube 35 comprend un canal central 38 qui dirige le fluide de forage admis dans la chambre 28 vers les molettes de forage qui sont en service, comme on le verra ci-après. Un joint torique 40 ancré dans une gorge radiale du trou central 33 assure ltétanchéité autour de la surface extérieure du tube 35. l1extrémité inférieure du piston 20 comprend deux bras diamétlalement opposés 2, orientés vers le bas et qui constituent les deux branches de étrier Y. le berceau C est articulé sur les deux bras 42 au voisinage de leurs extrémités inférisures. Comme on le voit sur les figures 1 et 2, chaque branche 42 comprend au voisinage de son extrémité libre un trou 44 pour le passage dtun boulon correspondant ou d2un pivot analogue 46 vissé latéralement dans le berceau C. Par ailleurs, les extrémités irlfé- rieures 43 des deux branches 42 de l'étrier sont en pente vers l'intérieur et de préférence comportent chacune une denture coupante 43t rapportée en métal dur. La partie inférieure du carter H comprend également trois cavités en forme de volte dans lesquelles sont engagées les trous molettes du trépan supérieur U lorsque celui-ci est dans sa position rétractée de la figure 2. les trois voltes sont délimitées par trous piliers longitudinaux 47, 48 et 49 orientés vers le bas et uniformément espacés dans le sens circonférentiel. les trois piliers 47, 48 et 49 délimitent entre eux des surfaces concaves 47t, 48', 49t dont le rayon de courbure correspond au rayon 80t des molettes 80, 81 et 82.Ainsi, les molettes supérieures 80, 81 et 82 stappliquent par leurs surfaces extérieures contre les surfaces courbes complémentaires 47' 48t, 49t lorsque le berceau est dans sa position rétractée dans le carter H et elles transfèrent directement le couple du carter H au berceau C qui le transmet lui-meme directement aux trois molettes montées sur sa face orientée vers le bas. De préférence, l'extrémité libre de chaque pilier 47, 48 et 49 comporte un doigt axial qui s'engage dans un trou correspondant 47" du berceau 60, et de ce fait, les trois piliers participent également à la transmission du couple du carter H aux molettes qui sont en position de travail. On voit également sur les figures 2 et 3 que le corps tubulaire cylindrique il du carter H comprend deux rainures latérales 50 pour le passage des deux bras longitudinaux 42 solidaires du piston 20. La face su périeure de chaque bras 42 comprend une portée radiale 43 qui vient en butée contre une portée radiale correspondante 52 de 12 extrémité supérieure de la rainure 50, lorsque le piston et donc l'étrier Y sont dans leur position rétractée de la figure 2. le berceau C est constitué par un corps 60 en forme de disque articulé entre les deux bras ou branches 42 de étrier T. le corps 60 comprend deuz trous taraudés 61 diemétralement opposés, percés radialement dans son bord extérieur et dans lesquels se vissent les pivots taraudés 46 qui passent dans les trous lisses 44 des extrémités inférieures des bras 42. le corps 60 comprend un trou central 64 pour le passage de lteztrémité inférieure du tube 35. De préférence, le trou central 64 est tronconique et son diamètre de sortie est plus grand que son diamètre 66 à mi-hauteur de manière à constituer un guide conique qui facilite l'embottement du tube 35. le corps C en forme de disque comprend également trois bossages 70, 71 et 72 uniformément répartis sur sa surface supérieure et qui supportent respectivement les molettes supérieures 80, 81 et 82. De mimez trois bossages 90, 91, 92 solidaires de sa face inférieure et opposés respectivement aux blocs supérieurs 70, 71 et 72 supportent les molettes inférieures cor- respondantes 93, 94 et 95. Comme on le voit sur la figure 2,les bossages opposés 70 et 90 ont chacun une surface extérieure courbe 74 et 94 ain Si qutune surface intérieure inclinée 75 et 95. Chaque bossage comprend un tourillon correspondant 76 et 96 sur lesquels sont, emboftés les roulements 77 et 97 des molettes respectives 80 et 93. les molettes 80 et 93 comprennent des rangées circonférentielles de bossages abrasifs ou dents 79 et 99. 13ien entendu, toutes les molettes supérieures et inférieures sont identiques aux deux molettes 80, 93 et tous les bossages des deux faces du berceau sont identiques aux deux bossages 70 et 90 qui viennent d'entre décrits. Chacun des bossages de support supérieurs et irfé- rieurs 70, 71, -72, 90, 91 et 92 comporte deux cotés parallèles 702 et 71t. es deux faces parallèles 422 de chaque branche 42 de 12 étrier sont disposées entre les faces intérieures parallèles sot des rainures 50 du corps H. Ainsi, les bras 42 font office de clavettes qui transmettent le mouvement de rotation du carter au berceau C. Comme on le voit sur les figures 5 et 6, un dispositif à ressort fait basculer le berceau C autour de l'axe horizontal délinlit-é par les pivots 46. Un doigt de guidage 110 (figures 1, 5 et 6) fixé latéralement sur la surface extérieure du bossage 70 est engagé dans une gorge en arc de cercle 112 de la surface intérieure 42" du bras 42. la gorge il 2 est concentrique au trou 44 dans lequel passe le pivot 46. Un ressort 115 entoure le pivot 46. Son extrémité intérieure 116 est engagée dans un trou correspondant 117 percé dans le bossage 70 et son extrémité opposée 119 est engagée dans un trou radial correspondant 120 percé dans le bras 42.Ce dispositif à ressort permet de faire tourner le berceau a de 180 de manière à diriger les trois molettes supérieures 80, 81 et 82 vers le bas. Il faut noter que ce retournement du berceau peut être commandé par un autre dispositif, par exemple hydraulique. La tëte de forage de l'invention est par exemple vissée par son carter H sur ltextrémité inférieure du train de forage et on 11 abaisse dans le puits pour quelle creuse progressivement celui-ci. lorsque la tette est dans sa position de forage représentée sur la figure 2, le piston 20 est dans sa position rétractée dans ltalésage 15 et les épaulements 47 des extrémités supérieures des bras 42 de ltétrier sont e butée contre les épaulements correspondants 52 des extrémités supérieures des rainures 50. la boue de forage injectée par le trou central 16 de la titre s2 écoule vers le bas dans la chambre intérieure 28 du piston 20 et les trous inclinés 35' de 12 extrémité inférieure du tube 35 la dirigent sur les trois molettes du trépan inférieur L qui est alors en service. le couple de rotation imprimé au corps 11 du carter H par le train de tiges est transmis par les branches 42 de l'étrier et par les pivots 46 au berceau C et par conséquent au trépan inférieur DO lorsque les molettes du trépan B sont complètement usées, on peut faire pivoter le berceau C pour le retourner et inverser les trépans, crest-à-dire pour placer le trépan supérieur U en position de travail, sans qu'il soit nécessaire de relever le train de tiges pour remplacer le trépan usé Pour retourner le berceau C, on soulève le carter H au-dessus du fond 210 du puits 200 sur une distance suffisante pour autoriser le mouvement de basculement du berceau.On augmente ensuite la pression du fluide de forage dans le trou central de la douille 16 et dans la chambre 28. La pression du fluide s'exerce sur toute la surface de la collerette supérieure 30 du piston 20 et du fond 32 de la chambre. De ce fait, le piston se déplace vers le bas par rapport au carter il de la manière représentée sur les figures 2, 3 et 4. les bras 42 de 12étrier ainsi que le berceau s'abaissent en m8me temps que le piston 20 jvF qutà ce que les trépans U et L soient suffisamment éloignés de Irextrémité inférieure du carter H pour que le ressort puisse faire basculer le berceau de îoe0 de manière à inverser les trépans, ctest-à-dire pour que le trépan supérieur U non usé se place dans sa position de travail et puisse continuer à creuser le fond 210 du puits. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent titre apportées aux éléments décrits ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention. REVEDICATI0NS 1. Tête rotative de forage destinée à creuser un puits profond dans le sol, cette titre étant caractérisée en ce quelle comprend un carter s'accouplant à un train rotatif de tiges de forage, un berceau monté dans le carter et comprenant deux trépans opposés constitués chacun par un jeu de molettes coniques, un dispositif déplaçant le berceau pour le dégager partiellement du carter, et un dispositif faisant basculer le berceau par rap- port au carter de manière à le retourner pour que chacun des trépans opposés solidaires du berceau puisse titre sélectivement utilisé pour forer le puits. 2. Tete de forage selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif dégageant partiellement le ber sceau du carter comprend un étrier mobile axialement par rapport au carter et en ce que le berceau est articulé sur ledit étrier. 3. tette de forage selon la revendication 2, caractérisée en ce que le carter comprend un corps tubulaire ayant des portées longitudinales coopérant avec les branches de l'étrier de manière que le mouvement de rotation imprimé au carter soit transmis à 12 étrier et donc aux trépans montés sur celui-ci. 4. rrsste de forage selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif faisant basculer le berceau est un dispositif à ressort. 5. Tete de forage selon la revendication 4, caractérisée en ce que le dispositif à ressort comprend un ressort héli cotidal accouplant étrier et le berceau. 6. tte de forage selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif rappelant le berceau vers l'intérieur par rapport au carter. 7. Teste de forage selon la revendication 1, caractérisée en ce que des butées limitent le déplacement axial relatif du berceau et du carter.