Brevet FR2336541A1 — publié le 19770722

La présente invention concerne un outil de forage à mo lettes. L'outil de forage selon l'invention peut être utilisé pour le forage rotary ou pour le turboforage. La différence entre le forage classique rotary et le tur boforage consiste dans le mode d'entrainement de 11 outil. Dans le premier cas, le mouvement de rotation est transmis à l'outil par l'intermédiaire du train de tiges de forage. Dans le deuxième cas, l'outil est entrainé par un moteur de fond. Ces deux procédés con duisent à des conditions d'utilisation des outils différentes. En forage rotary on fait tourner 11 outil à des vitesses comprises entre 40 et 250 tours par minute avec des charges appliquées importantes. En turboforage, les vitesses de rotation sont comprises entre 400 et 1000 tours par minute, les charges appliquées étant nettement plus faibles que dans le forage classique. les outils utilisés pour le forage classique ou pour le turboforage sont d'une part les outils a' molettes classiques et d'autre part les outils diamant. L'utilisation des outils diamant est limitée. La comparaison des performances des outils à molettes montre que le nombre de mètres forés par outil est sensiblement identique dans les deux types de forage, que l'avancement instan tané est trois fois plus élevé lors du forage à la turbine et que dans ce dernier cas la durée de vie des ou-tils est environ trois fois plus faible. L'utilisation des outils à molettes pour le turboforage est actuellement très limitée en raison des performances limitées de ces outils. L'outil de forage à molettes est constitué de deux ou trois bras assemblés par soudure, comportant chacun un tourillon sur lequel tourne librement une molette, de forme approximativement conique, garnie de dents ou de picots en carbure. Pendant le forage, les molettes roulent au fond du trou et leurs dents détachent des éclats de roche. Chaque molette est guidée sur son tourillon par des paliers cylindriques. Les paliers utilisés sont des paliers lisses, à patins ou des paliers à galets coniaues ou cylindriques. Les efforts axiaux appliqués à la molette sont encaissés par des butées planes et des billes assurent le verrouillage axial. les paliers d'un outil de forage à molettes travaillent dans des conditions sévères : milieu-extérieur abrasif, température et pression élevées, charge importante, chocs, accélérations et décélérations brutales Tous ces facteurs ont une importance accrue lorsque la vitesse est élevée comme dans le cas du turboforage. la tenue des paliers dépend notamment de l'étanchéité par rapport au milieu extérieur et de la lubrification. La lubrification d'un outil de forage à molettes est assurée à partir d'au moins un réservoir ménagé dans le corps de l'outil et contenant le lubrifiant. Ce réservoir est relié à l'extérieur de-manière que le lubrifiant soit sensiblement à la pression de la boue de forage et que la pression du lubrifiant équilibre la pression de la boue qui agit sur les joints d'étanchéité. La réserve de lubrifiant se vide peu à peu, à cause notamment des pertes par les joints.La nature du lubrifiant ainsi que le système de distribution de ce lubrifiant jusqutaux paliers sont incompatibles avec un fonctionnement correct à grande vitesse car alors les problèmes dtétanchélté des joints? de refroidissement des paliers, de cracking du lubrifiant prennent une grande importance. La présente invention a pour objet un outil de forage à molettes doté d'un circuit de graissage permettant d'éviter le cracking du lubrifiant et d'assurer une meilleure lubrification. L'outil selon l'invention est doté d'un système de refroidissement efficace des paliers. L'invention fournit un outil capable de fonctionner à grande vitesse avec une longue durée de vie. L'outil de forage à molettes selon l'invention comprend un corps d'outil susceptible d'être raccordé par filetage à un tube entrainé en rotation et muni d'au moins un bras qui est prolongé par un tourillon incliné vers le bas et supporte une molette munie d'éléments coupants par l'intermédiaire d'un ensemble de paliers assurant son guidage en rotation autour de l'axe dudit tourillon et de butées assurant son immobilisation axiale, 11 ensemble de paliers et de butées étant protégé du milieu extérieur par des moyens d'étanchéité et étant lubrifié,à partir d'au moins un réservoir, par un circuit d'amenée de lubrifiant.Il est essentiellement caractérisé par le fait qutil comporte un circuit de retour du lubrifiant depuis 11 ensemble de paliers et de butées jusqu'au réservoir et une pompe ménagée entre la molette et le tourillon associé et entrainée par ladite molette de manière à assurer la circulation du lubrifiant. Selon une caractéristique importante de l'invention, la pompe est formée par des rainures hélicoïdales ménagées à l'intérieur des molettes. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails en se référant à des modes de réalisation particuliers donnés à titre d'exemples et représentés sur les dessins. la figure 1 est une coupe verticale d'un mode de réalisation de l'outil selon l'invention. La figure 2 est une coupe verticale d'un autre mode de réalisation de l'outil selon l'invention. La figure 3 est une coupe selon I-I de l'outil représenté sur la figure 1 ou 2. La figure 4 est une coupe selon III-III de l'outil représenté à la figure 2. En se référant aux figures 1 à 4, l'outil comporte un corps 1 muni, vers le haut, d'un filetage il pouvant être vissé dans un tube 2 entrainé en rotation et, vers le bas, de plusieurs bras latéraux 3 pourvus chacun d'un tourillon 4 dirigé vers le bas et vers l'axe vertical de l'outil. les tourillons 4 peuvent former un ensemble monobloc avec les bras latéraux.I)ans les modes de réalisation représentés, les tourillons 4 sont usinés indépendamment des bras. Ils comportent alors des portées cylindriques qui sont emmanchées et soudées dans des alésages 31 prévus dans les bras 3, conformément au brevet français nO 75-04980 de la demanderesse. Chaque tourillon comporte du côté du bras une surface cylindrique de grand diamètre 42 et une surface cylindrique de petit diamètre 41 formant un épaulement annulaire 43, le cylindre ol formant, en bout, une portée plane 44. Sur chacun des tourillons est montée une molette 5 de forme extérieure conique et pourvue extérieurement d'éléments coupants non représentés. Chaque molette 5 est guidée en rotation par les surfaces cylindriques 41 et 42 du tourillon associé. Elle est munie à cet effet d'un alésage cylindrique de petit diamètre formant un palier lisse avec le tourillon-- de petit diamètre. Un second palier de guidage cylindrique est prévu entre le tourillon et la molette au niveau du cylindre de grand diamètre 42, Ce palier peut être un palier lisse ou à patins,à galets coniques ou à galets cylindriques. Dans les modes de réalisat.ion-re- présentés un palier lisse est utilisé. I1 est formé par une surface de frottement cylindrique -52 de la molette frottant sur la portée 42 du tourillon. les efforts axiaux transmis à chaque molette sont encaissés par un plot 6 frottant sur la surface 44 du bout du tourillon et par l'épaulement 53 de la molette frottant sur l'épaule ment 43 du tourillon. Des billes 7 roulant dans des chemins de roulement de chacune des molettes et du tourillon associé empêchent les molettes de s'échapper vers le centre de l'outil.Des joints d'étanchéité 8 assurent l'étanchéité entre les molettes et les tourillons. le lubrifiant passe dans un conduit 9 débouchant hors du cylindre de grand diamètre 42 pour lubrifier le palier de grand diamètre. le lubrifiant progresse ensuite vers les billes 7 dans la chambre 10 formée entre le tourillon et la molette. Des rainures 13, 14, 15 ménagées respectivement sur les surfaces 43, 4t, 44 per, mettent la lubrification des paliers de butée et du palier lisse de petit diamètre. le lubrifiant est collecté ensuite par un conduit 16 ménagé au centre du tourillon . Le lubrifiant s'écoule ensuite par le conduit 17 servant au passage des billes et par un conduit de retour 18. La circulation du lubrifiant dans le circuit est assurée par une pompe. Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2 cette pompe de circulation est formée par des rainures hélicoffdales 19 ménagées à I1 intérieur de la molette. Ces rainures sont avanta geusement usinées dans une bague 20 montée dans la molette par un assemblage rigide. la rotation de la molette 5 provoque le cheminement du lubrifiant. le cheminement du lubrifiant dans les rainures hélicoTdales 19, lorsque la molette tourne,s'effectue de manière semblable au cheminement d'une matière plastique dans une une boudineuse à vis. le sens de rotation de la molette et le sens de l'hélice correspondant aux rainures 19 déterminent le sens de progression du lubrifiant.La forme des rainures 19 est adaptée aux propriétés rhéologiques du lubrifiant. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 et 2 la section des rainures est rectangulaire. Suivant le lubrifiant, la section des rainures et le pas de ces rainures pourront être modifiés. l'outil représenté sur les figures 1 et 3 comprend des réservoirs de lubrifiant 21 qui sont ménagés dans le corps de l'ou- til, chacun des réservoirs servant à la lubrification des paliers d'une molette. Dans chaque réservoir débouche un conduit d'amenée 9 du lubrifiant aux paliers et un conduit de retour du lubrifiant 18. Chacun des réservoirs est relié à l'extérieur par un conduit d'équilibre des pressions 22. Un diaphragme souple ou un piston mobile 25 isole le lubrifiant de l'extérieur et permet la compensation des variations de pressions. l'outil représenté sur les figures 2 et 4 ne comporte pas de réservoir dans le corps portant les molettes. Les conduits 9 et 18 débouchent sur 1 1épaulement annulaire 12 ménagé à la base du filetage 11. Le corps d'outil 1 est vissé dans un tube d'entrainement 2 qui peut entre un raccord ou un stabilisateur dans le cas du forage avec un bicorne. A l'intérieur de ce tube 2 sont ménagés des réservoirs de lubrifiant 21 connectés aux conduits 9 et 18. les réservoirs 21 peuvent communiquer entre eux par une chambre 24 située à la base du tube 2 et dans laquelle débouche les conduits 9 et 18. Cette solLltion permet d'avoir une quantité relativexent importante de lubrifiant, le principal avantage étant d'assurer un refroidissement efficace des paliers. Des trous d'équilibrage des pressions 22 relient les réservoirs 21 à l'extérieur et des pistons ou des diaphragmes souples 23 sont prévus au-dessus du lubrifiant. Il est bien entendu que l'on peut sans sortir du cadre de l'invention imaginer des variantes et perfectionnements de détails de même qu'envisager l'emploi de moyens équivalents. La distribution et la circulation du lubrifiant sur la surface cylindrique 42 au contact de la portée 52 peuvent être facilitées par une rainure qui est ménagée à la périphérie extérieure de ladite surface cylindrique 42 et qui communique avee le conduit 9. Be remplissage en lubrifiant des réservoirs prévus dans le mode de réalisation des figures 2 et 4 peut être réalisé par un conduit obturable 25 ménagé dans le raccord 2 ou par le conduit 17 ménagé dans le corps 1 ou par tout autre moyen. RF;VEIDICATI ONS 1./ Outil de forage à molettes dont le corps d'cutil, susceptible d'entre raccordé par filetage à un tube entrainé en rotation, est muni d'au moins un bras prolongé par un tourillon incliné vers le bas qui supporte une molette munie d'éléments coupants par l'intermédiaire d'un ensemble de paliers assurant son guidage en rotation autour de l'axe dudit tourillon et de butées assurant son immobilisation axiale, l'ensemble de paliers et de butées étant protégé du milieu extérieur par des moyens d'étanchéité et étant lubrifié à partir d'au moins un réservoir, par un circuit d'amenée de lubrifiant, caractérisé par le fait qu'il comporte un circuit de retour du lubrifiant depuis l'ensemble de paliers et de butées jusqu'au réservoir et une pompe ménagée entre la molette et le tourillon associé et entraînée par ladite molette de manière à assurer la circulation du lubrifiant. 2./ Outil de forage à molettes selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la pompe est formée par des rainures nélicoldales ménagées à l'intérieur des molettes. 3./ Outil de forage à molettes selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les rainures sont ménagées à l'intérxur d'une bague fixée dans la molette. 4./ Outil de forage à molettes selon l'une quelconque des revendications, caractérisé par le fait que le circuit de graissage comporte un conduit axial au tourillon qui sert à la lubrification de la butée plane située à l'extrémité du taurillon. 5./ Outil de forage à molettes selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qusil comprend un conduit débouchant à la périphérie du taurillon, au niveau des rainures hélicoldales de la molette. 6./ Outil de forage à molettes selon l'uns quelconque des revendications pracederltes, caractérisé par le fait qutil comporte des orifices d'arrivée et de départ du lubrifiant débouchant sur 1' épaulement annulaire situé à la base du filetage et qu'il comporte au moins un réservoir raccordé à ces orifices et situé dans le tube d'entraînement de l'outil. 7./ Outil de forage à molettes selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le tube d'entrainement de l'outil comporte plusieurs réservoirs et outil colporte une chambre de mise en comaunication de ces réservoirs. 8./ Outil de forage à molettes selon l'une des revendi cations 6 ou 7, caractérisé par le fait que chaque réservoir est relié à l'extérieur par au moins un conduit d'équilibrage des pressions.