Brevet FR2297332A1 — publié le 19760806

La présente invention concerne les moteurs de fond hydrauliques pour le forage de prospection ou d'exploitation du pétrole, de gaz et d'autres minéraux utiles, notamment les turboforeuses, de préférence celles opérant avec des trépans à diamants. Ces derniers temps, dans la pratique du forage on donne de plus en plus d'extension aux trépans à diamants, dont l'utilisation est efficace à des vitesses de rotation supérieures à celles caractérisant le forage avec des trépans à molettes. Qn connatt une turbororeuse comprenant un corps avec des stators montés fixes, dont les aubes constituent une grille circulaire avec des canaux de guidage pour le fluide de circulation refoulé par des pompes à boue, et un arbre monté dans le corps sur une butée et portant des rotors dont les aubes constituent une grille circulaire et sont orientées en sens contraire de celles des stators de façon à changer la direction du fluide de circulation, chaque stator constituant avec le rotor oorrespondant un étage dé turbine dans lequel le metivement du fluide de circulation est transformé en rotation du rotor, ainsi que des moyen pour la fixation des étages de la turbine sur l'arbre et dans le corps. Quand la turbororeuse mentiannée ophre avec des trépans à diamants, l'arbre tourne à une vitesse plus grande que celle des turbines employées dans le fortage ordinaire. Comme la vitesse de rotation des turboforeuses n'est pas réglable, l'angle d'attaque de la veine sur les aubes peut varier dans une plage étendu$, en atteignant des valeurs maximales dans la zonees régimes extrêmes (freinage et emballement). L'écoulement à travers les grilles profilées a lieu avec des angles d'attaque augmentés, comparativement au turboforage ordinaire, ce qui entrain des pertes d'énergie notables.Pratiquement, cela se manifeste par un fort accroissement de la chute de pression dans la turboforeuse lors dé son freinage 51 la turbine employée a des aubes faiblement incurvées, ou bien lors de son emballement si la turbine employée a des aubes fortement incurvées. Une telle variation brusque de la chute de pression dans la turboforeuse fait surgir des difficultés sérieuses au cours de son utilisation (mise hors d'usage fréquente des membranes de sécurité auprès des pompes et autres incidents). En outre, les aubes fortement incurvées ont un rendement abaissé. Dans le cas d'utilisation de grilles d'aubes à entrée axiale de la veine et de bords d'entrée des aubes relativement minces, la veine se décolle de la surface des aubes et il se produit une forte augmentation de la chute de pression au. freinage ce qui complique également l'utilisation de la turboforeuse. Quand on utilise des aubes à bord d'entrée d'épaisseur accrue, cet effet diminue, mais le rendement deaturboforeuse baisse notablement par suite de la croissance des pertes d'énergie et, par conséquent, les performances énergétiques s'altèrent, ce qui se fait sentir en premier lieu sur la valeur du couple moteur. Dans le turboforage, c'est justement cette grandeur qui, toutes conditions étant égales par ailleurs, détermine la charge encaissée par la turboforeuse, c'est-à-dire la possibilité de réaliser les régimes de forage nécessaires. Les tentatives faites pour utiliser la turboforeuse connue avec des trépans à diamants n'ont pas montré une efficacité suffisante, soit à cause de la forte montée de la pression dans la conduite de refoulement du groupe de pompage lors du freinage de l'arbre de la turboforeuse, soit à cause du bas rendement de la turbine, altérant sa caractéristique couplevitesse. Dans les conceptions connues de turboforeuses, la butée peut simultanément jouer le rôle de joint d'étanchéité limitant les fuites de fluide de circulation au raccord de la turboforeuse. Comme, dans le cas, la veine principale de fluide de circulation passe par des canaux du demi-manchon ou de l'arbre pour aller au canal central de l'arbre, dans l'enceinte entre l'arbre et le corps, dans laquelle est disposée la butée, il se forme une zone à vitesses réduites de la veine. De ce fait, les fractions les plus lourdes peuvent se séparer du fluide de circulation et pénétrer dans la butée. L'absence de toute protection de la butée de la turboforeuse contre les grosses particules abrasives provoque son usure prématurée. La mise hors d'usage de la butée de la turboforeuse rend nécessaire la remontée prématurée du trépan. En cas d'emploi de trépans à diamants, chaque remontée supplémentaire du trépan est la cause de décrochages de diamants, d'ou une réduction de la durée de service du trépan et, par conséquent, des performances écozorique8 du forage. C'est pourquoi, pour les turboforeuses opérant avec des trépans à diamants, le problème de l'accroissement de la longévité de la butde devient primordial. Il convient aussi de rapporter aux inconvénients de la conception connue de turboforeuse la complexité et la fiabilité insuffisante de la fixation des pièces sur les arbres. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients mentionnés. On s'est donc proposé de créer une turboforeuse qui aurait un rendement suffisamment élevé, produirait un couple moteur accru et dans lequel la chute de pression varierait dans des limites permettant l'utilisation normales de la turboforeuse. L'invention peut dtre appliquée aux turboforeuses à butées située dans l'une de leurs sections, ou bien à butée déportée dans un sous-ensemble séparé constituant une allonge, ou bien aux turboforeuses d'autres conceFtions. Ici, l'invention est examinée, à titre d'exemple, relativement à une turboforeuse k allonge. La turboforeuse proposée comprend un corps dans lequel sont fixés des stators dont les aubes constituent une grille circulaire avec'des canaux-ae guidage pour le fluide de circulation refoulé sous pression, et un arbre monté dans le corps sur une butée et portant des rotors dont les aubes constituent une grille circulaire dans laquelle les canaux sont orientés en sens contraire de ceux des stators et, de ce fait, changent îa direction du fluide de circulation, les aubes des stators et des rotors étant montées de façon à former les étages de la turbine de turboforeuse transformant le mouvement du fluide de circulation en mouvement de rotation des rotors, ainsi que des moyens pour la fixation des étages de la turbine sur l'arbre et dans le corps. D'après l'invention, les profils des aubes du stator et du rotor sont réalisés de telle façon que l'angle (e) entre les tangentes à la liane médiane du profil à l'aube aux bords d'entrée et de sortie soit en accord avec la relation 8 = 1800 - (4,5 à 7)J1 où 21 est l'angle entre la perpendiculaire à l'axe de la-grille et la tangente à la ligne médiane du profil de l'aube à son bord d'entrée, porté du ctté de la partie concave du profil de I'aube, l'angle ( i) entre la perpendiculaire à l'axe de la grille et la tangente à la ligne médiane du profil de l'aube à son bord de sortie étant choisi en accord avec la relation 1 2 (3w5 à 6) 4" et le rapport de l'épaisseur maximale (6) du profil de l'aube à sa corde (t) étant choisi en accord avec la relation FzQ = 0,09 à 0,19. Les relations proposées pour les paramètres géométriques du profil de l'aube sont optimales ; elles assurent, d'une part, la suppression de l'éventualité d'un accroissement notable de la chute de pression lors du freinage de la turboforeuse, et, d'autre part, l'obtention d'un grand rendement de la turbine en régime de travail. Grace à l'invention, on obtient une turboforeuse caractérisée par son grand rendement, son couple moteur accru, sa chute de pression limitée lors des changements de régime. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description d'un exemple de réalisation non limitatif illustré par les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement une turboforeuse conforme à l'invention, en coupe longitudinale - la figure 2 représente le détail "A" de la figure 1 (étage de turbine en coupe) - la figure 3 représente le développement plan de la section suivant une circonférence des aubes du stator et du rotor d'un étage de turbine - la figure 4 représente le dstail "B" de la figure 1 (séparateur en coupe longitudinale) - la figure 5 représente le développement plan de la section suivant une circonférence des aubes du stator et du rotor et la direction des vitesses de la veine en régime de freinage - la figure 6 représente le développement plan de la section suivant une circonférence des aubes du stator et du rotor et la direction des vitesses de la veine en régime de travqil théorique - la figure 7 représente une vue en coupe suivant VII VII de la figure 3 La turboforeuse représentée par les figures 1 à 4 comprend, dans sa partie supérieure se raccordant au bout inférieur du train de tiges pour la réception du fluide de circulation refoulé sous pression, une turbine "a" constituée par dès étages "b", placé dans un corps 1. Chaque étage "b" est constitué par un stator 2 avec des aubes 3, fixé dans le corps 1, et un rotor 5 avec des aubes 6, fixé sur un arbre 4. Les aubes 3 du stator constituent une grille circulaire "c" avec des canaux "d" dans lesquels passe le fluide de circulation. Le profil des aubes 3 est réalisé de telle façon que l'angle b entre les tangentes à sa ligne médiane aux bords d'entrée et de sortie des aubes soit conforme à la relation # = 180 - (4,5 à 7) &alpha;;, et que l'angle #2 entre la perpendiculaire à l'axe 0-0 de la grille "c" et la tangente à la ligne médiane du profil au bord de sortie de l aube soit conforme à la relation 22 (3,5 à 6) j,, où t est l'angle entre la perpendiculaire à l'axe 0-0 de la grille 'c" et la tangente à. la ligne médiane au bord d'entrée de l'aube, porté du cSté de la partie concave du profil. Le rapport entre l'épaisseur maximale $Z n n du profil, mesurée perpendiculairement à ses génératrices, et la corde est choisi en accord avec la relation #/&alpha; = 0,09 à 0,19. Les aubes 6 du rotor 5 constituent elles aussi une grille circulaire "e" et sont rdalisées en accord avec les relations des paramètres géométriques : # = 180 C - (4,5 à 7) &alpha;2, &alpha;2 = (3,5 à 6) #, et #/# = 0,09 à 0,19, et sont orientées au sens contraire des aubes 3 du stator 2 pour changer la direction du mouvement du fluide, grace à quoi le rotor 5 tourne par rapport au stator 2 et transmet le couple moteur à l'arbre 4. Les aubes 3 d'un stator 2 et les aubes 6 d'un rotor 5 constituent un étage "b" de la turbine "a" de la turboforeuse, dans lequel le mouvement du fluide de circulation est transformé en mouvement de rotation du rotor. Dans la partie inférieure de la turboforeuse, son corps 1 est relié à une allonge "f", constituée par un corps 7 et un arbre 8, lequel s'accoflrle à l'outil de forage. Entre le corps 7 et l'arbre 8 est disposée une butée "g" et des paliers 9 pour charges radiales, dont l'un est montré en figure 4. Dans la partie supérieure de l'allonge est logé un séparateur "h", constitué par des douilles étagées 10 et 11. La douille 10 est solidaire de l'arbre et forme une enceinte annulaire "i", dans laquelle est engagée avec un jeu "å une partie de la douille 11, solidaire du corps. Ladite enceinte annulaire "i" est mise en communication avec le canal central "n" de l'arbre 8 de l'allonge par les canaux "k" de la douille 10 et le canal m de l'arbre 8. La fixation des pièces sur l'arbre 4 est réalisée à l'aide d'un demi-manchon 12 avec un filetage conique 13 et un épaulement intérieur 14 ; sur l'arbre 8 de l'allonge les pièces sont fixées à l'aide du demi-manchon 15 de l'allonge avec un filetage 16 et un épaulement intérieur 17. Quand l'arbre de la turboforeuse est freiné, le fluide sortant des canaux "d" (figure 5) du stator arrive aux aubes 6 du rotor sous un angle D 2 (légalité des angles n et s'explique par le fait que lorsque le rotor est immobile, la vitesse absolue C1 et la vitesse relative W1 d'arrivée du fluide à l'aube coïncident). Un tel angle d'entrée du fluide correspond à un angle d'attaque 8 J, = A2 ~ - , ou bien, en tenant compte de la relation 92 = (3,5 à 6)2 Limitant les valeurs de l'angle d'attaque en régime de freinage, ss = (0,71 à 0,83)4. Une telle limitation diminue notablement l'éventualité d'un accroissement de la chute de pression dans la turboforeuse lors de son freinage par rapport à la chute dé pression en régime de travail, correspondant à la moitié de la vitesse de rotation en régime d'emballement. Pratiquement, dans ce cas, l'accroissement de la chute de pression dépasse-pas 2010 Au fur et à mesure que la vitesse de rotation "u" (figure 6) du rotor 5 (figure 2) augmente et que le régime de marche se rapproche du régime théorique, le fluide sortant par les canaux t'dH du stator arrive aux aubes 6 du rotor, dans son mouvement relatif, sous un angle ss1 différent de l'angle 42 caractérisant la direction de l'écoulement du fluide dans son mouvement absolu.De la sorte, les directions et les valeurs des vitesses C1 et W1 ne cofncident pas dans ce cas. Au fur et à mesure que le régime se rapproche du régime théorique, les valeurs des angles ss, et & amma; diminuent et, en régime thdorique,ss1 &alpha;1 et & amma; = 0. Quand l'angle d'attaque est & amma; = 0, l'écoulement autour de l'aube devient pratiquement sans chocs, ce qui s'accompagne d'une diminution de la chute de pression due aux pertes par chocs. Comme en regime théorique ces pertes sont insignifiantes, les pertes d'énergie sont principalement déterminées par l'incurvation du profil, caractérisée par l'angle figure 3) et son épaisseur relative & amma;/1. Le rapport # = 180 - (4,5 à 7) &alpha;, compte tenu de la relation &alpha;2 = (3,5 à 6) &alpha;1, peut être représentée sous la forme - w 1800 - (1,17 à 1,29) l2, qui fait apparattre que pour des valeurs prédéterminées de &alpha;2 elle limite l'incurvation du profil. épaisseur relative du profil est limitée par le rapport #/1 0,09 à 0,19.Une telle épaisseur relativement faible du profil se traduit par une diminution de la résistance de la grille d'aubes à l'écoulement du fluide, grâce à l'abaissement des pertes d'énergie lors de l'écoulement autour des aubes. De la sorte, l'incurvation du profil et son épaisseur relative sont notablement limitées par les rapports. indiqués, ce qui permet d'obtenit un-rendement élevas en régime théorique. Le fluide de circulation sortant de la turbine entre dans l'allonge "f", dans la partie supérieure de laquelle, au-dessus de la butée *g, est placé le séparateur "h". Lors du changement brusque de la direction de la veine dans l'enceinte annulaire "i", les fractions les plus lourdes du fluide de circulation se déposent dans cette enceinte, puis, en passant par les canaux "k" et "m", arrivent dans le canal central "n" de l'arbre de l'allonge, tandis que le fluide épuré passe à travers le jeu "p" dans le palier de guidage 9 et va à la butée "g" de la turboforeuse. La fixation des étages "b1, de la turbine "a" et des pièces de la butée "g" et du palier de guidage 9 sur l'arbre 4 à l'aide d'un demi-manchon 12 avec un filetage conique 13 et un épaulement intérieur 14 a permis de simplifier la conception et d'accroftre la fiabilité du sous-ensemble de fixation des pièces sur l'arbre. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné 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 et mises en oeuvre dans le cadre de la revendication qui suit. REVENDICATION 1. Turboforeuse comprenant un corps dans lequel sont fixés des stators dont les aubes constituent une grille circulaire avec des canaux de guidage pour un fluide de circulation refoulé sous pression, et un arbre monté dans ledit corps sur une butée et portant des rotors dont les aubes constituent une grille circulaire dans laquelle les canaux sont orient4 en sens contraire de ceux des stators et, de ce fait, changent la direction du fluide de circulation, les aubes des stators et des rotors étant montées de façon à former les étages de la turbine de turboforeuse transformant le mouvement du fluide de circulation en mouvement de rotation des rotors, caractérisé en ce que les profils des aubes du stator et du rotor sont réalisés de telle façon que l'angle ( entre les tangentes à la ligne médiane du profil de l'aube aux bords d'entrée et de sortie soit en accord avec la relation e = 1800 (4,5 à 7) &alpha;, où &alpha;1 est l'angle entre la perpendiculaire à l'axe de la grille et la tangente à la ligne médiane du profil de l'aube à son bord d'entrée, porté du côté de la partie concave du profil de l'aube, l'anglet &alpha; ;2 entre la perpendiculaire à l'axe de la grille et la tangente à la ligne médiane du profil de l'aube à son bord de sortie étant choisi en accord avec la relation 42 = (3,5 à 6)d , et le rapport de ltépaisseur maximale (6) du profil de l'aube à sa corde (Q ) étant choisi en accord avec la relation t #/l = 0,09 à 0,19.