Brevet FR2354442A1 — publié le 19780106

L'invention concerne les installations de forage par rotation à terre et en mer. Toutes les installations de forage ou de sondage par rotation comportent, notamment,un outil d'attaque, un dispositif d'entrainement en rotation, un dispositif de liaison de l'outil à l'or- gane d'entrainement et un dispositif de manoeuvre. Le dispositif de liaison est constitue par une pluralité de tiges creuses assemblées par filetage à des raccords tubulaires intérieurs et dont on augmente le nombre un a un au fur et à mesure del1ap- profondissement du forage. La tige supérieure est assemblez à une tige spéciale dite d'entrainement qui traverse le dispositif d'entrainement dans lequel elle peut coulisser librement tout en lui restant solidaire en rotation grace a' des cannelures longitudinales ou a' la forme polygonale de sa section.Le dispositif de manoeuvre est constitué par un treuil dont le cable passe sur une poulie de renvoi pour venir stattacher, generalement par 1 intermédiaire d'un moufle à un crochet de suspension coopérant avec le sommet de la tige d'entrainement. Chaque installation comporte d'autres dispositifs sans rapport avec l'invention, notamment un dispositif d'evacuation des déblais dont il ne sera plus question dans ce qui suit. Le facteur principal d'efficacité de l'appareil est le réglage convenable de la pression de l'outil sur le fond du forage. La descente du train de tiges, c'est-à-dire la descente du moufle doit correspondre à l'avancement du forage. C'est en agissant manuellement sur le treuil que l'ouvrier foreur règle la descente du moufle en veillant à appliquer au train de tiges une retenue égale a' la différence entre le poids de celui-ci et la charge admissible sur l'outil, c'est-à-dire de 11 outil sur le fond du forage. En terrain homogène il nty a aucune difficulté, mais la dureté du terrain varie considérablement suivant les couches traversées.La rencontre d'une couche dure par exemple ré duit brutalement la vitesse d'avancement et et si la vitesse de descente du moufle n'est pas immédiatement réduite de la même manière, la force de retenue diminue et la charge sur l'outil augmente, ce qui risque d'entrainer la détérioration et même le coincement de l'outil dont le "repéchage" peut conduire à de longues interruptions de travail toujours extrémement coûteuses. Il faut alors à l'ouvrier une grande expérience pour deter- miner la manoeuvre à exécuter (accéleration ou ralentissement de la descente, voirie arrêt du treuil) a partir d'indices va riables tels que des irrégularités de la rotation ou la tendance au ralentissement de l'avancement, mais de toute façon la manoeuvre appropriée intervient toujours avec un temps de retard sur sa nécessité. Les surprises dues au terrain sont a' l'origine d'un grand nombre d'accidents ou d'incidents auxquels ne permettent pas échapper la tsphnique et l'expérience de l'éxécutant et, en outre, le retard susmentionné7 même faible, conduit à une usure plus rapide des outils. La conduite des appareils de forage est encore plus délicate et présente encore plus d'ales lorsqu'il s'agit de forages en mer à partir de barges flottants car il faut alors1 en plus, compenser l'effet de la houle. L'on a tenté de diminuer le risque d'une mauvaise interprô- tation ou d'une constatation trop tardive des variations dans les mouvements du train des tiges à l'aide d'appareils de contr8le permettant l'affichage de la vitesse de rotation, de la vitesse d'avancement, de la charge sur le fond, etc. mais les rô- sultats obtenus sont loin d'être parfaits car le "temps de ré ponse desdits appareils de contrôle vient s'ajouter a' celui de ltorganisme humain et à celui du mécanisme de commande du treuil pour amener un retard d'exécution toujours préjudiciable et parfois catastrophique. Un dispositif oleopneumatique a bien été imagine pour les appareils de forage en mer afin de compenser les effets de la houle sur la position verticale de l'outil en maintenant sur ce dernier une charge sensiblement constante, mais il présente de nombreux inconvénients.Les variations de la pression dans les étages pneumatique et hydraulique nécessitent de nombreux systèmes de réglage et de sôcuritô ( accumllateurs, valves de retenue, vannes, soupapes de suretô) qui entraînent pour le dispositif une certaine complexité et par conséquent une certaine fragilité, sans parler de l'encombrement et du poids de l'ensemble ( environ 20 tonnes pour une compensation de charge de 180 tonnes) qui doit etre pris en considôration pour les manoeuvres de relevage du train des tiges. Outre ces inconvénients, dans tous les appareils de ce genre actuellement connus, les tiges des cylindres compensateurs sont reliées au crochet de suspension du train de tiges de forage par une liaison souple (câbles ou chaises et ceci, joint aux variations de la pression dans les chambres desdits cylindres, rend ces appareils impropres a compenser les variations de charge sur l'outil dues aux duretés différentes des couches de terrain traversées. L'invention prévoit un dispositif permettant d'appliquer au train de tiges une force de retenue quasi constante en cas de variation de la vitesse de pépétration de l'outil, ce qui revient à appliquer à l'outil une charge quasi constante. Le résultat est obtenu en permettant au crochet de suspension d'avoir une vitesse de descente indépendante de celle du moufle pendant une durée suffisante pour effectuer le réglage néces5ire correspondant de la vitesse du treuil de manoeuvre. Le dispositif permet en outre, sans modifications, si ce n'est la hauteur des cylindres.de compenser l'effet de la houle pour les forages en mer. Selon 1'invention le dispositif comporte deux éléments rigides montés coulissants l'un par rapport à l'autre dans 11 axe du forage, l'un des éléments dit cage porteuse étant suspendu au moufle et l'autre dit suspendeur portant rigidement le crochet de suspension du train de tiges, tandis que le coulissement- du suspendeur par rapport à la cage porteuse s'effectue librement vers le haut et à l'encontre dtune force élastique vers ie bras, ladite force élastique ayant une valeur quasi constante prédéterminée en fonction du poids du train de tiges. Avantageusement le suspendeur est solidaire des pistons d'un ou plusieurs vérins hydrauliques à simple effet fixés verticalement sur la cage porteuse et ayant chacun leur chambre active, disposée vers le bas, alimentée par un circuit hydraulique à pression quasiment invariable mais qui est réglée à chaque modification de la composition du train des tiges. De préférence les chambres des vérins sont alimentées par un régulateur oléopneumatique tel que celui décrit dans le brevet français nO 73 36457 déposé au nom du meme inventeur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel la figure 1 est une vue schématique de c8té, avec coupe partielle, d'un dispositif selon l'invention, la figure 2 est une vue semblable à celle de la figure i pour un dispositif plus spécialement destiné aux forages en mer et montrant une disposition un peu différente des divers organes. I1 convient de noter tout d'abord que pour obtenir une meilleure compréhension du dessin certaines parties des figures sont très schématisées et que l'échelle adoptée n'est pas la même pour les différents organes. C'est ainsi par exemple que le bâti du régulateur oléopneumatique n'est pas représenté, que le cylindre hydraulique de ce dernier est à une échelle plus petite que celle prise pour les vérins du compensateur, que le réservoir d'air comprimé devrait avoir un volume beaucoup plus important que celui suggéré par sa représentation, etc. A la figure 1 un dispositif i régulateur de charge et compensateur de mouvement, qui sera désigné ci-après par le terme "compensateur", est destine à équiper un appareil de forage par rotation ( non représenté). Le compensateur 1 comporte deux éléments rigides à savoir une cage porteuse 2 et un suspendeur 3.. La cage porte à sa partie supérieure une oreille 4 destinée a l'accrochage du dispositif sur le moufle relié au câble de manoeuvre de l'appareil de forage. Le suspendeur porte rigidement un crochet 5 destiné à la suspension du train de tiges. La cage 2 comporte un plateau inférieur 6 et un plateau supérieur 7 reliés par des montants 8. Le suspendeur 3 est constitué par un plateau 9 sur lequel est boulonné un étrier 10 dirigé vers le bas qui porte le crochet 5. Le suspendeur 3 coulisse par rapport à la cage 2, les branches verticales de l'étrier PO passant à travers des ajours prévus dans le plateau 6 et étant guidées à frottement doux par des manchons il solidaires dudit plateau 6. Sur le plateau 6 de la cage sont fixés un ou plusieurs vérins hydrauliques 12 à simple effet. Le nombre de vérins est de un, deux, trois ou quatre implantés de façon telle que le centre de gravité de leur ensemble soit situé sur l'axe de forage.. A la figure 1 il y a un seul vérin dont la tige 13 du piston est fi xée rigidement au plateau 9 du suspendeur. Mais il peut y avoir plusieurs vérins (voir figure 2) ce qui rend alors inutile les manchons de guidage 11, le crochet pouvant être fixé directement sur le plateau 9 et son guidage être suffisamment assuré par 1' ensemble des pistons des vérins eux-mêmes. La chambre supérieure 12a de chaque vérin 12 est en commun- cation avec l'air libre et la chambre inférieure 12b est remplie d'huile à pression prédéterminée en fonction du poids du train de tiges, cette presion ne variant pratiquement pas quelle que soit la hauteur de la chambre, clest-à-dire lXemplacement du piston. Si le train de tiges présente, par exemple, un poids de N N alors que la charge sur l'outil de travail doit être de 2.105 N, il faut exercer sur le train de tiges une retenue de 8.105N. La pression de l'huile est choisie de façon telle que la force appliquée sur la surface totale de l'ensemble des pistons des vérins est égalera cette valeur de 8.-105 N. Ainsi dans n'importe quelle position relative de la cage 2 et dt suspen- deur 3, tant que la pression de l'huile qui tend à allonger 1' ensemble du dispositif i c'est--dire à éloigner le crochet 5 de l'oreille 4 est en équilibre avec la force de retenue exer cée par le treuil1 les deux ôlements 2 et 3 restent dans ladite position relative. La pression de l'huile étant réglée il est clair que pendant l'introduction et la descente du train de tiges dans le forage, avant que l'outil arrive au fond, le dispositif prend sa position d'allongement maximal dès que le poids du train de tiges devient supérieur à 8.105 N. C'est dans cette position représentée à la figure i que l'outil entre en contact avec le fond du forage et cette position est conservée tant que le moufle, c'est-à- dire la cage 2, descend à la meme vitesse que l'outil clest-a- dire à la même vitesse que le crochet 5 et la charge sur l'ou- til reste égale 106N - 8.iO5N = 2.iO5N. Lorsque l'outil rencontre une couche dure, sa pénétratiOn est ralentie, la cage 2 descend plus vite que lui, la force de retenue du treuil diminue. Le dispositif compensateur entre instan tanément en action. La force de retenue du treuil, qui s'exerce sur le plateau 6, devenant inférieure a' la force exercée par 1' huile, les vérins se remplissent, le plateau 6 se rapproche du crochet 5 absorbant ainsi la descente supplémentaire de la cage 2 par rapport à l'outil et la force de retenue sur le train de tiges reste invariable. I1 suffit alors de stopper le treuil et l'ouvrier foreur a,pour effectuer cette manoeuvre,tout le temps correspondant a la course totale des pistons des vérins 12 depuis leur position basse jusqu'à leur position haute. Dès que le treuil est arrdté, l'outil cotinue à s1enfoncer, le train de tiges descend avec une retenue toujours constante1 les vérins se vident et il suffît de remettre le treuil en marche à vitesse plus réduite dès que les deux éléments du dispositif sont revenus à leur position relative initiale Ainsi toute cette manoeuvre s'effectue sans risque pour 1' outil puisque, la retenue étant constante, la charge exercée sur lui est constante et sans aucun ralentissement du forage. Pour faciliter le travail du foreur, il est avantageux de prévoir près du poste de commande du treuil deux voyants distincts par exemple bleu et rouge qui s'allument tant que le suspendeur 3 reste, respectivement, au voisinage de sa position basse et au voisinage de sa position haute par rapport à la cage 2. il est également possible d'obtenir par un simple contact l'arrêt du treuil en même temps que l'allumage du voyant rouge lorsque le suspendeur approche de sa position haute et inversement sa remise en marche à approche de sa position basse en rendant ainsi la marche du treuil entièrement automatique. Comme il a été dit, la poussée totale de l'huile sur les pistons des vérins doit être égale a la force de retenue choisie. Elle varie donc considérablement avec le poids du train de tiges c'est-à-dire entre le début et la fin du forage. Pour des raisons de sécurité la pression dê l'huile ne doit pas dépasser une certaine limite, par exemple 250 bars. La surface du piston d'un vérin ne peut non plus dépasser une certaine valeur pour des raisons d'encombrement et des impératifs de construction. C'est pourquoi il a été prévu un nombre de vérins de un à quatre suivant l'appareil de forage a équiper. Avec des pistons de 500 cm , ce qui correspond à un diamètre d'environ 25 cm. pour les vérins et une pression maximale de 250 bars, chaque vérin permet de développer une force de 125.104N,soit avec quatre vérins 5.106 N. Bien entendu lorsqu'il y a trois ou quatre vérins il est possible, au début du forage, d'en alimenter que deux. Dans l'exemple représenté l'huile â pression constante alimentant chaque vérîn 12 est fournie par l'accumulateur 14 d'un régulateur oléopneumatique conforme au brevet français 73 36457. La chambre à huile de l'accumulateur 14 communique directement avec la chambre 12b du vérin 12 par une canalisation 15 dans laquelle débouche une canalisation 16 reliée à un groupe hydraulique qui permet de faire le plein du cylindre 14 (12b ayant son volume minimal). Le piston du cylindre 14 est relié rigidement aux pistons des corps pneumatiques 17 d'un cylindre double dont les chambres actives 17a sont en communication directe avec un réservoir 18 de grand volume rempli d'air comprimé a' une pression déterminée grâce a.un compresseur 19.Par le choix judicieux du rapport de la surface du piston du cylindre 14 à la surface de l'ensemble des pistons des corps pneumatiques 17 la pression de lthuile dans ltaccumulateur 14 est, par exemple, de vingt fois celle de l'air comprimé, ce qui permet d'obtenir pour l'huile jusqu'à 250 bars sans dépasser pour l'air 12,5 bars et d'avoir ainsi une sécurité absolue.Une varie tion de 1 bar pour la pression de l'air comprimé correspond alors à une variation de 20 bars pour la pression de l'huile et pour un vérin de 25 cm de diamètre à une variation de force de retenue d'environ 105 N. En outre, on sait, par le brevet français sus-mentionné, que la pression de l'huile peut être très sensiblement constante pour une pression pneumatique initiale donnée puisqu'il suffit de prendre pour le réservoir 18 un volume n fois plus grand que le volume total de l'ensemble des corps pneumatiques 17 si l'on veut que la pression de 1'huile dans 14 ne puisse pas varier de plus de 100 %. Quand il y a plusieurs vérins, il n+l peut y avoir plusieurs transformateurs de pression mais le réservoir d'air comprimé est de préférence unique afin d'obtenir surement ltéquilibrage des pressions dans les vérins. il est à remarquer que la canalisation 15 peut etre une canalisation longue et flexible, ce qui permet de disposer le ou les transformateurs de pression, avec leur réservoir, sur la plate- forme de l'installation de forage. Le dispositif 1 est donc seul à être suspendu au moufle et son poids relativement faible ne gêne en rien les manoeuvres de relevage du train de tiges. Lé dispositif représenté à la figure 2 ne diffère de celui qui vient d'être décrit que par des modifications de structure et les mêmes références ont été conservées pour les mêmes élé- ments. On retrouve une cage porteuse 2 et un suspendeur 3 constitué ici par son plateau 9 solidaire du crochet 5 très allongé. Sur le plateau inférieur 6 de la cage sont disposés des vérins 12, ici deux vérins mais il pourrait y en avoir trois ou quatre, dont les chambres 12b sont en communication directe par la canalisation 15 avec la chambre à huile du cylindre hydraulique 14 d'un transformateur de pression. Le dispositif est prévu pour les forages en mer sur barges flottantes, et outre les variations de la vitesse d'avancement dues aux duretés différentes des couches traversées, il faut compenser les effets de la houle. Le fonctionnement reste le même mais la course des pistons des vérins 12 doit etre beaucoup plus longue. Les vérins 12 ont une hauteur d'au moins trois mètres. Le volume de lthuile étant alors important la course du piston du cylindre 14 et par conséquent des pistons des corps pneumatiques 17 est également longue. C'est pourquol'ilaccumu- mateur représenté à la figure 2 a une disposition différente de celle de la figure 1, ici le cylindre 14 est dispOsé au même niveau que les corps pneumatiques 17 et la liaison entre les tiges des pistons est réalisée en fixant ces dernières sur une plaque supérieure 20. Si le cylindre i4 doit alimenter plusieurs vérins 12, son diamètre doit etre asses grand et pour obtenir un rapport suffisant entre la pression de l'huile et la pression de l'air sans augmenter exagérément le diamètre des corps pneumatiques le nombre de ces derniers-peut être augmenté, par exemple quatre, dont les tiges de pistons sont solidaires de la plaque 20 de façon à constituer un cylindre pneumatique à quatre corps. REVENDICATIONS 1 - Dispositif régulateur de charge et compensateur de mouve- ment du train de tiges d'un appareil de forage par rotation dans lequel le train de tiges qui porte à son extrémité l'outil de forage est accroché a un crochet de-suspension dont le mouve- ment de translation verticale est soumis a l'action d'un dispositif de manoeuvre tel qu'un treuil1 géneralement par l'intermé- diaire d'un moufle, caractérisé en ce qu'il comporte deux éle- ments rigides montés coulissants l'un par rapport a l'autre dans l'axe du forages l'un des éléments dit cage porteuse étant suspendu au moufle et l'autre dit suspendeur portant rigidement le crochet de suspension du train de tiges, tandis que le coulissement du suspendeur par rapport a la cage porteuse s'qf-èctue librement vers le haut et à l'encontre d'une force élastique vers le bas, ladite force élastique ayant une valeur quasi constante prédéterminée en fonction du poids du train de tiges. 2 - Dispositif selon la revendication 1, CaraCtérlsé en ce que le suspendeur est solidaire des pistons d'un ou plusieurs vérins hydrauliques à simple effet fixés verticalement sur la cage porteuse et ayant chacun leur chambre active, disposée vers le bas, alimentée par un circuit hydraulique à pression quasi ment invariable mais qui est régulée à chaque modification de la composition du train de tiges. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractôrise en ce que la chambre active de chaque vérin est en communication libre avec le cylindre hydraulique ou accumulateur d'un transformateur de pression oléopneumatique dont le cylindre pneumatique est relié librement, de façon connue, à un réservoir dair comprimé de grand volume, la pression de l'air dans ledit réservoir étant déterminée en fonction du poids du train de tiges et pouvant être augmentée à chaque addition de tiges supplémentaires, grâce à un compresseur, tout en restant basse, par exemple en restant comprise entre 2 et 15 bars. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, destiné à un appareil de forage en mer, caractérisé en ce que les vérines portés par la cage porteuse ont une course possible de plusieurs mètres. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les mouvements du suspendeur déclenche l'allumage temporaire de deux voyants lumineux de couleurs différentes situés au poste de commande du treuil, respective ment à l'approche de la file de course vers le haut et a l'approche de la fin de course vers le bas 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérise en ce que des contacts disposes sur la cage porteuse coopèrent avec un organe solidaire du suspendeur pour commander automatiquement ltarrêt du treuil lorsque ledit suspendeur approche du point haut de sa course par rapport a ladite cage porteuse et/ou la mise en marche du treuil lorsque le suspendeur approche du point bas de cette course.