Brevet FR2320431A1 — publié le 19770304

La présente invention concerne les turboforeuses. La turboforeuse en faisant l'objet est appliquée avec une efficacité maximale au forage de puits profonds de pétrole et de gaz, aussi bien avec emploi de trépans à molettes qu'avec emploi de trépans à diamants. En outre, l'invention peut être appliquée au forage dirigé dans le cas d'exploitation de gisements de pétrole et de gaz par faiseaux de puits. On contact une turboforeuse dans le corps de laquelle est monté, sur une butée encaissant la réaction du front de taille, un arbre composite constitué par des tronçons accouplés successivement les uns aux autres et portant des rotors de turbine qui produisent un couple moteur et une poussée hydraulique qu'ils transmettent à l'arbre de la turboforeuse. Pendant le forage, la turbine de la turboforeuse est le siège d'une chute de pression déterminée, dépendant du débit de boue qui la traverse. Cette chute de pression crée sur l'arbre de la turboforeuse une poussée hydraulique qui est encaissée par la butée. Ia fonctiona butée est de positionner les rotors de la turbine par rapport aux stators. D'ordinaire, les rotors de la turbine sont positionnés de telle façon que le jeu axial entre la face supérieure du rotor et la face inférieure du stator soit le metme qu'entre la face inférieure du rotor et la face supérieure du stator. Un tel positionnement des rotors par rapport aux stators est dit "moyen". L'écart admis par rapport à la position moyenne est de 5 à 6 mm au maximum. d tel positionnement des rotors par rapport aux stators est assuré par la butée. Au cours du fonctionnement dans une boue abrasive, sous l'effet de la poussée hydraulique sur l'arbre de la turboforeuse, par suite de l'usure des pièces de roulement et des bagues porteuses de la butée, un jeu se forme dans cette dernière. Les rotors de la turbine se déplacent alors par rapport à leur position moyenne réglée auparavant. Si ce jeu dépasse 5 à 6 mm, les faces des stators et des rotors viennent en contact etc par suite du frottement suivant ces faces, la turbine s'use. La vitesse d'usure de la butée, ou bien, ce qui revient au même, la formation d'un jeu dans celle-ci à une vitesse de rotation déterminée, est fonction de la poussée axiale agissant sur l'arbre. Pendant le forage, la poussée axiale sur le trépan est produite par le poids du train de sonde et transmise au trépan par le corps de la turboforeuse, le corps de la cartouche, la butée, et puis, par l'intermédiaire du bout inférieur de l'arbre de la cartouche, directement au trépan. La bute est sollicitée par la réaction du front de taille, dirigée de bas en haut et égale à la poussée sur le trépan produite par le train de sonde et dirigée de haut en bas. Vu que la présence des jeux dans la butée influe sur la position des rotors par rapport aux stators, la valeur admissible du jeu dans la butée est limitée, afin d'éviter+le contact entre les faces des rotors et des stators et l'usure de la turbine qui s'ensuivrait. Il en résulte que la durée d'utilisation de la turboforeuse entre deux révisions successives est limitée par la valeur du jeu entre les stators et les rotors de la turbine, et non pas par l'usure domplète de la butée. le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués. On s'est donc proposé de créer une turboforeuse telle, que l'usure de sa butée, c'est-à-dire de la butée encaissant la réaction du front de taille, serait sans influence sur la position des rotors par rapport aux stators et permettrait ainsi d'éviter le contact entre les faces des rotors et des stators, assurant la possibilité d'utiliser la butée jusqu'a son usure limite. La solution consiste en une turboforeuse, dans le corps de laquelle, sur une butée encaissant la réaction du front de taille, est monté un arbre constitué par plusieurs tronçons accouplés successivement les uns aux autres et portant des rotors de turbine qui produisent un couple moteur et une poussée hydraulique qu'ils transmettent à l'arbre, ladite turboforeuse étant caractérisée, d'après l'invention, en ce que, entre la butée et les rotors de la turbine, sur l'arbre, est montée une butée supplémentaire qui encaisse la poussée hydraulique et, entre les butées est incorporé dans l'arbre un mécanisme qui transmet le couple moteur d'un tronçon de l'arbre à l'autre, ce mécanisme étant susceptible de déformations élastiques grâce auxquelles il libère la butée supplémentaire de la poussée hydraulique et transmet cette poussée à la butée encaissant la réaction du front de taille. En réalisant la turboforeuse, objet de l'invention, non pas avec une seule butée, mais avec deux butées indépendantes, dont l'une encaisse la poussée hydraulique sur l'arbre et l'autre la réaction du front de taille, on assure une utilisation prolongée de la butée encaissant la réaction du front de taille car son usure, ou ce qui revient au même, la formation d'un aeu entre ses éléments, est sans influence sur la position du-rotor de la turbine par rapport à son stator, du fait de la présence de la seconde butée, et, par conséquent, il devient possible d'utiliser complètement le potentiel de vie de la butée, ce qui augmente la durée de service de la turboforeuse entre deux révisions successives. Pour augmenter, d'autre part, la longévité de la butée supplémentaire, qui détermine la position du rotor de la turbine par rapport à son stator, on la libère autant que possible de la poussée hydraulique agissant sur l'arbre de la turboforeuse. A cet effet, entre la première et la seconde butée, est intercalé dans l'arbre composite de la turboforeuse un mécanisme transmettant le couple moteur d'un tronçon de l'arbre composite à l'autre et susceptible de déformations élastiques, grâce auxquelles il libère la butée supplémentaire de la poussée hydraulique et transmet cette poussée à la butée encaissant la réaction du front de taille. Cela se traduit par une forte augmentation de la longévité de la butée supplémentaire. L'augmentation de la durée de service des butées permet d'obtenir une augmentation notable de la durée de service de la turboforeuse entre deux révisions successives. De plus, l'invention est caractérisée en ce que le mécanisme susceptible de déformations élastiques est réalisé sous la forme d'un élément plastique dont l'un des bouts est rigidement accouplé au tronçon de l'arbre composite sur lequel est montée la butée supplémentaire, tandis que son second bout est rigidement accouplé au tronçon de l'arbre composite sur lequel est monté la butée encaissant la réaction du front de taille. Plus la poussée est grande, plus l'usure de la butée est rapide et, inversement, plus la poussée est faible, plus l'usure de la butée est lente. Si la poussée sur l'arbre est nulle, l'usure de la butée est minimale. Afin d'assurer le fonctionnement de la butée supérieure dans des conations telles que la poussée axiale qui lui est appliquée soit pratiquement nulle, on la monte de façon que l'élément élastique la précomprime de bas en haut. La précompression de l'élément élastique engendre une force agissant de bas en haut et déchargeant la butée supérieure. Si l'effort de précompression de l'élément élastique agissant de bas en haut est égale à la poussée hydraulique agissant de haut en bas, la butée supérieure, déterminant la position des rotors par rapport aux stators, sera pratiquement déchargée et aura un potentiel de vie maximale. En outre, la butée inférieure sera sollicitée par l'effort de précompression de l'élément élastique, qui la déchargera partiellement de la réaction du front de taille. Il convient de noter que, dans l'invention considérée, -l'usure de la butée inférieure est sans influence sur la position des stators par rapport aux rotors, et le jeu admissible dans ladite butée est bien pLus grand (de 5 à 6 fois) que dans la butée supérieure. Ceci à son tour, augmente encore le potentiel de vie de la butée inférieure. En conséquence, dans la turboforeuse objet de l'invention, l'organe faible des turboforeuses modernes, c'est-8-dire leur butée, est placé dans de nouvelles conditions de travail augmentant fortement la durée de service de la turboforeuse entre deux révisions successives, ce qui réduit considérablement les frais d'exploitation. De surcroît, il convient de ne pas perdre de vue encore une cirConstance intéressante. Lut élément élastique monté dans la cartouche de la turboforeuse joue, dans une mesure déterminée, le r8le dtun amortisseur, surtout lorsqu'un jeu apparaît dans la butée. La présence d'un élément élastique améliore notablement le travail des trépans dans les-roches dures et se traduit par une augmentation de la vitesse d'avancement et du métrage foré en une passe au trépan. Le plus pratique au point de vue fabrication est de réaliser l'élément élastique .sous la forme d'un ressort hélicofdal. Pogr obtenir une cartouche plus compacte, il est avantageux de réaliser l'élément élastique de la turboforeuse sous la forme d'un soufflet. Pour augmenter la longévité de l'élément élastique, en le.libérault de la transmission du couple moteur, il est utile de doter le mécanisme élastiquement deforfiable d'un ressort de compression intercalé entre les tronçons successifs de l'arbre composite, sur lesquels sont fixées la butée supplémentaire et la butée encaissant la réaction du front de taille, et d'un manchon monté entre lesdits tronçons de l'arbre, de façon à pouvoir coulisser axialement pour permettre la déformation élastique en compression du ressort, et transmettant le couple moteur de l'un desdits tronçons de l'arbre à l'autre. Encore une particularité intéressante de l'invention réside dans la possibilité d'utiliser la turboforeuse pour le forage dévié, car la présence d'un élément élastique transmettant le couple moteur permet la flexion de l'axe de la turboforeuse et, par conséquent, de créer au trépan des forces agissant perpendieulairement à son axe et assurant l'incurvation voulue du forage dans la direction prescrite. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description détaillée d'exemples concrets mais non limitatifs, illustrés par les dessin nnexés, dans lesquels : - la figure 1 représente une turboforeuse dans laquelle l'élément élastique est rigidement accouplé aux deux tronçons successifs de l'arbre composite, et est réalisé sous la forme d'un ressort hélicoïdal cylindrique travaillant en compression et en torsion - la figure 2 représente une turboforeuse dans laquelle l'élément élastique est un soufflet travaillant en torsion et en compression et rigidement accouplé aux deux tronçons successifs de l'arbre composite - la figure 3 représente une cartouche de turboforeuse dans laquelle le mécanisme élastique est constitué par un ressort hélicoTdal travaillant en compression, et dans laquelle un manchon interposé entre les tronçons successifs de l'arbre permet le déplacement axial relatif des tronçons de l'arbre et assure la transmission du couple moteur à partir du tronçon supérieur de l'arbre à son tronçon inférieur ; - la figure 4 représente une cartouche de turboforeuse qui comporte un empilage de rondelles Belleville travaillant en compression, et dans laquelle, entre les deux tronçons successifs de l'arbre composite, est monté un manchon qui permet le déplacement axial relatif des tronçons de l'arbre et transmet le couple moteur du tronçon supérieur de l'arbre à son tronçon inférieur - la figure 5 représente le corps d'une cartouche à filetages en biais, permettant à la turboforeuse de dévier le forage quand cela est nécessaire. la turboforeuse représentée par la figure 1 comprend un corps 1 (figure 1) dans lequel un arbre 3 est monté sur une butée 2 encaissant la réaction du front de taille. Le corps 1 de la turboforeuse est composite. Les parties 4, 5, 6, 7, 8, 9 et 10 du corps 1 sont assemblées les unes aux autres. L'arbre 3 est lui aussi réalisé composite, en plusieurs tronçons 11, 12, 13 et 14, accouplés successivement entre eux. Sur le tronçon 11 de l'arbre 3 sont montés fixes les rotors 15 de la turbine ; dans la partie 5 du corps il sont fixés les stators 16 de la turbine. Sous l'action du flux de boue de forage et de la chute de pression, les rotors de la turbine produisent un couple moteur et une poussée hydraulique qu'ils transmettent à l'arbre 3. Conformément à l'invention, entre la butée 2 et les rotors 15 de la turbine, sur le tronçon 12 de l'arbre 3, est montée une butée supplémentaire 17, qui encaisse la poussée hydraulique depuis l'arbre 3. Entre les butées 2 et 17, sur le tronçon 13 de l'arbre 3, est intercalé un mécanisme transmettant le couple moteur du tronçon 12 de l'arbre 3 à son tronçon 14 et susceptible de déformations élastiques. Grâce à ces déformations, le mécanisme libère la butée supplémentaire 17 de la poussée hydraulique et transmet cette poussée à la butée 2 encaissant la réaction du front de taille. Le mécanisme élastiquement déformable est constitué. par un élément élastique dont l'un des bouts est rigidement accouplé au tronçon 12 de l'arbre composite 3, et dont l'autre bout est rigidement accouplé au tronçon 14 sur' lequel est montée la butée 2 encaissant la réaction du front de taille. L'élément élastique représenté sur la figure 1 est un ressort hélicoïdal 18 fabriqué d'une seule pièce avec le tronçon 13 de l'arbre 3. Ia figure 2 représente un élément élastique réalisé sous la forme d'un soufflet 19. Afin d'alléger les conditions de travail de l'élément élastique, on réalise le mécanisme transmettant le couple moteur et la poussée hydraulique d'un tronçon de l'arbre à l'autre suivant la varirtereprésentée en figure 3. Un tel mécanisme comprend un ressort 20 travaillant en compression, et un manchon constitué par deux demi-manchons 21 et 22. Le ressort 20 esi interposé entre le tronçon 12', sur lequel est montée la butée supplémentaire 17, et le tronçon 14 de l'arbre 3, sur lequel est montée la butée 2. L'un des bouts du ressort 20 s'appuie contre la face du tronçon î2Sde l'arbre 3;- tandis que l'autre s'appuie contre la face du demi-manchon 21. les demi-manchons 21 et 22 sont montés entre les tronçons 12' et 14 de l'arbre 3, de telle façon qu'ils puissent coulisser axialement l'un par rapport à l'autre pour la compensation du jeu se formant au fur et à mesure de l'usure des butées 2 et 17. Les demi-manchons 21 et 22 accouplés l'un à l'autre ont, par exemple, une section carrée, ou de toute autre forme susceptible d'assurer la transmission du couple moteur d'un tronçon de l'arbre à l'autre. Sur la figure 4, dans le mécanisme déformable élastiquement, l'élément élastique est constitué par un empilage de rondelles Belleville 23. la figure 5 représente une variante de réalisation du tronçon 9 (figure 1) du corps 1. Sur la figure 5 ce tronçon est désigné par le chiffre de référence 9'. Ie tronçon 9' est réalisé avec un déjettement des axes des filetages d'un certain angle par rapport à l'axe 0-0 du corps, ce qui permet de produire au trépan (non représenté) une force déviatrice qui fera dévier le forage dans la direction prescrite. La turboforeuse objet de l'invention fonctionne de la façon suivante. Le fluide de circulation (boue) refoulé par les pompes de forage traverse-la tête d'injection, passe par la tige d'entraînement et le train de tiges pour arriver à la turboforeuse; en traversant la turbine, le fluide de circulation produit un couple moteur à l'arbre 3. La chute de pression dans la turbine produit sur l'arbre 3 de la turboforeuse une poussée hydraulique qui est encaissée par la butée supplémentaire 17. Afin de décharger la butée 17, l'élément élastique 18, 19, 20 ou 23 est précomprimé de telle façon que l'effort avec lequel il est précomprimé soit égal à la poussée hydraulique Fur l'arbre 3 de la turboforeuse. Dans ce cas, la butée 17 sera pratiquement complètement déchargée. D'un autre côté, l'effort de précompression de l'élément élastique 18, 19, 20 ou 23 est transmis à la butée 2 encaissant la réaction du front de taille, et la décharge partiellement. Etant donné que la butée 17 est pratiquement complètement déchargée pendant la marche, l'usure de ses bagues d'appui et de ses pièces de roulement sera très lente, d'où une augmentation considérable de la durée de service de la turboforeuse entre deux révisions successives. L'usure de la butée 2 est sans influence sur la position des rotors 15 de la turbine par rapport à ses stators 16, aussi l'usure maximale admissible peut-elle titre bien plus grande que dans les turboforeuses connues, ce qui se traduit par une augmentation de la durée de service de la turboforeuse entre deux révisions successives. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des *univalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutés suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Turboforeuse du type comportant un corps dans lequel est monté, sur une butée encaissant la réaction du front de taille, un arbre composite, constitué par plusieurs tronçons accouplés successivement l'un à l'autre et sur lequel sont fixés des rotors de turbine qui produisent un couple moteur et une poussée hydraulique et les transmettent audit arbre, caractérisé en ce que, sur l'arbre entre la butée et les rotors de turbine, est montée une butée supplémentaire qui encaisse la poussée hydraulique, et, en ce que dans ledit arbre, entre lesdites butées est incorporé un mécnnisme transmettant le couple moteur d'un tronçon de l'arbre à l'autre et susceptible de déformations élastiques lui permettant de libérer la butée supplémentaire de ladite poussée hydraulique et de transmettre celle-ci à ladite butée encaissant la réaction du front de taille, 2.Turboforeuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mécanisme élastiquement déformable est réalisé sous la forme d'un élément élastique dont l'un des bouts est rigidement assemblé à celui des tronçons de l'arbre composite sur lequel est montée la butée supplémentaire, et dont l'autre bout est rigidement assemblé à celui des tronçons de l'arbre composite sur lequel est montée la butée encaissant la réaction du front de taille. 3. Turboforeuse selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément élastique est un ressort hélicoïdal. 4. ùrboforeuse selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément élastique se présente sous forme d'un soufflet. 5. Turboforeuse selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mécanisme élastiquement déformable comprend un ressort de compression intercalé entre les tronçons de l'arbre composite sur lesquels sont fixées la butée supplémentaire et la butée encaissant la réaction du front de taille, et par un manchon monté entre lesdits tronçons, susceptible de déplacements axiaux pour permettre les déformations élastiques en compression dudit ressort, et transmettant le couple moteur de l'un desdits tronçons de l'arbre à l'autre.