Brevet FR2381895A1 — publié le 19780922

L'invention concerne en général les trépans de forage en particulier un système perfectionné pour leur lubrification. I Les trépans de forage ont normalement des systèmes de lul brification pour leurs paliers. La lubrification appropriée des pao liers des trépans de forage dépend d'un moyen d'étanchéité efficace, tel que celui représenté dans le brevet d'invention américain 3,397, 928. Le système de lubrification comprend normalement un compensateur qui égalise la différence de pression sur les côtés opposés d moyen d'étanchéité, tel que décrit dans les brevets américains 3,007,750 et 3,137,508.En outre, il est avantageux, de prévoir une soupape de réduction de pression pour limiter la pression interne du système de lubrification à une valeur prédéterminée au-dessus de'ld pression dans le puits de forage, tel que décrit dans le brevet américain 3,476,195. Bien que 1v systemv de lubrification connuspour les trépans de forage soient efficaces, certains problèmes persistent. Le compensateurs connus a diaphragmes en caoutchouc sont parfois en dommages. Leur fabrication et leur assemblage exigent une attentio soigneuse. Les compensateurs connus ont beaucoup d'endroits qui t doivent être étanchéifiés pour empecher la fuite du lubrifiant ou l'entrée des fluides de forage ambiants. En général, les systèmes de compensation connus ont un jdegré de complexité que l'on cherche à éviter pour améliorer leur sfirete de fonctionnement. La présente invention a pour objet de fournir un trépan de forage ayant un système de lubrification simplifié pour contre ler la pression du lubrifiant avec un plus petit nombre d'éléments de construction. A cet effet, on élimine les structures compliqués pour la compensation de la pression. Le système est rempli de lu lubrifiant essentiellement exempt de tout air et gaz. Le lubrifiant Ise dilate thermiquement avec l'augmentation de la profondeur du Puits de forage. On contrôle la pression du lubrifiant par/mnoyen de réduction de pression et par un déplacement de moyen d'étanchéité. Le système comprend une cavité fermée, isolée de la pression externe sauf pour le déplacement du moyen d'étanchéité. Les parois "cavité sont rigides à l'exception des parois formées par le moyen d'étanchéité qui contrôle la pression du lubrifiant en combinaison avec le moyen de réduction de pression et la dilatation thermique du lubrifiant. Un mode de~réalisation de invention est représenté dans les dessins annexés et sera maintenant expliqué en plus grand détail dans les dessins La Fig. 1 est une représentation en perspective, partiellement en coupe d'un trépan de forage ayant un système de lubrification selon les principes de la présente invention. La Fig. 2 est une représentation fragmentaire et en coupe longitudinale d'une partie du trépan de forage selon la Fig. 1. La Fig. 3 est une représentation en coupe longitudinale d'une soupape de réduction de pression. La Fig. 4 est une représentation en coupe selon les lignes IV-IV de la Fig. 2 La Fig. 5 est une représentation en coupe selon les lignes V-V de la Fig. 2. La Fig. 6 est une représentation schématique de l'appareil utilisé pour lubrifier le trépan représenté dans la Fig. 1. une La Fig. 7 estZreprésentation graphique sur laquelle une Icourbe représente la corrélation entre la pression du lubrifiant ;d'un trépan et la profondeur du puits de forage dans le sol pour un gradient géothermique de 0,550C par 30 mètres. Les trois autres tourbes représentent la pression hydrostatique du fluide entourant ges trépans en fonction de la profondeur lorsque le fluide est de une uneboue de forage avec une densité de 1,2 kg par litre et !une boue de forage avec une densité de 1,9 kg par litre. La présente invention permet l'élimination du compensateur de pression et elle utilise seulement une soupape de réduction de pression en combinaison avec un déplacement du moyen d'étanchéité entre la fraise et son arbre de support pour contrôler la pression tdu lubrifiant. La présente invention est praticable parce que la pression du lubrifiant augmente avec la profondeur plus vite que la pression hydrostatique au fond du puits de forage lorsque-l'on utijlise une boue de forage avec une densité particulière. Sur la Fig. 7, la courbe 11 représente la pression du lubrifiant en fonction de la profondeur du puits de forage. Cette augmentation de la pression est due à cause de l'augmentation de la température du lubrifiant lorsqu'il est chauffé de façon géothermique avec l'augmentation de la profondeur du puits de forage. pour la représentation graphique de la Fig. 7 on a supposé un gradient géothermique de 0,55 C par 30 mètres, mais il est évident que les gradients géothermiques sont géographiquement variables.Sur la Fig. 7 on a aussi représenté des courbes 13, 15 et 17 qui représentient l'augmentation avec la profondeur de la pression hydrostatique d'ue fluide de forage dans un puits de forage pour des boues de forage fluant une densité de 1,9 kg par litre et 1,2 kg par litre ainsi que pourl l'eau (1 kg par litre). Par conséquent, selon la Fig. 7, la pression du lubrifiant dans le palier augmente normalement avec la proj fondeur plus rapidement que la pression hydrostatique du fluide enA tourant les trépans. L'on peut donc obtenir un trépan de forage ap proprié, tel que décrit ci-avant, par l'utilisation d'un système lubrification qui réduit la pression croissante interne.Une coupe sation supplémentaire n'est pas nécessaire et aurait en effet des des avantages en comparaison au système qui sera décrit ci-après. , La Fig. 1 représente un trépan de forage lubrifié, désigné en son ensemble par 19 muni de fraises rotatives. Le trépan de forage a un corps formé par trois sections 21 supportant chacune une fraise rotative 23 munie de dents 25 pour désintégrer la terre Un trou de remplissage 27 a une partie supérieure élargie 29 munie id'un filetage 31 pour recevoir une soupape de réduction de pression 23 et un bouton de retenue34, tel que représenté dans la Fig. 2 et en plus grand détail dans la Fig. 3.La partie de réduction centra e de la soupape de réduction de pression a la même construction que la soupape décrite dans le brevet américain 3,476,195. Elle est re fitente par un bouchon fileté 37 vissé dans une cage cylindrique 39 q i a une ou plusieurs ouvertures radiales 41 couvertes par un manchon élastomère 43 situé dans une rainure annulaire 45. Le manchon sert comme moyen de réduction de pression secondaire et il sert en pre laier lieu à la protection de la partie de réduction centrale du type à ressort.Une bague d'étanchéité 46 se trouve dans une rainure 49 dela cage 39 pour former un joint étanche dans la partie supe- prieure élargie 29 du trou de remplissage 27. Lorsque la pression d lubrifiant dans le trou de remplissage 27 excède une pression pré jdEtersinée pour laquelle la soupape de réduction de pression 33 et dimensionnée, le tampon élastique 51 se dégage de l'extrémité du tube 53 et le lubrifiant peut se décharger dans un passage axial 5 et vers l'extérieur au-dessous du manchon élastomère 43 et il peut finalement sortir par le trou 58 formé dans la paroi du corps du ,trépan de forage. De cette façon, la pression du lubrifiant dans le système de lubrification est limite à une valeur prédéterminée au-dessus de la pression du fluide de forage ambiant. Un bout d'arbre 59 d'étend vers l'intérieur, en porte- - faux de chaque section 21 et se termine en un tourillon 61 s'éten dant d'une face d'appui 63. Une gorge à billes 65 est formée dans le bout d'arbre, qui est aussi muni d'une surface de palier 67. L' extrémité 69 du tourbillon peut être munie d'une garniture en matière pour palier, par exemple un alliage à base de cobalt. La sur face 71 du tourbillon et la surface de palier 67 peuvent aussi être munies d'une telle garniture. La fraise 23 a un bouton d'appui 73 qui engage l'extrémité du tourillon, une douille 75 qui engage la surface cylindrique 71, une gorge à billes 77 et une rainure 79, en forme de L, pour recevoir un anneau d'étanchéité 87. Un bouchon 81 est soudé en 83 à la, jambe 21 pour remplir un trou par lequel les billes 85 peuvent être introduites dans les gorges à billes 65, 77 pour retenir la fraise sur le bout d'arbre. La bague d'étanchéité 87 peut être déplacée par déformation et elle peut se déplacer aussi d'une distance pré- déterminée sur le bout d'arbre dans la rainure 79 en forme de L de la fraise. Tel Tel que représenté sur la Fig. 4, et aussi sur la Fig. le bout d'arbre/aplati, tel tel que représenté par les références 89 et 91, et il est rainuré, tel que représenté par les références 93 et 9i5, pour former des poches et des passages pour la réserve du lubrifiant. Bien que les fuites du lubrifiant soient minimisées par le système d'étanchéité selon l'invention, on doit néansmoins prévoir certains fuites. A cause des réserves de lubrifiant une fuite prédéterminée i eut être tolérée sans désavantages. Un trou percé 97 s'étend entre, trou de remplissage 27 et une rainure 99 (voir Fig. 5) formée dans la face d'appui 63 et s'étendant à travers une partie du tousillon 61 pour aplatir celui-ci en 101 afin d'obtenir un meilleur courant du lubrifiant. t Le système de lubrification est rempli de préférence de lubrifiant dégazé par une méthode qui élimine essentiellement tout ! ir et gaz dans le système à l'aide d'un appareil représenté sché tiquement sur la Fig. 6. Une pompe à vide P1 est reliée par une conduite 103 avec une soupape V1, à une cuvette 105. On a aussi prévu n manomètre 107 relié à la conduite 103 entre la soupape V1 et la uvette 105. Un raccord en "T" 107 relie une soupape V3 et une source blair P2 par une conduite 109 à la conduite 103 qui s'étend vers une soupape V4, un autre raccord en "T" 111, une soupape V5, un manomè-1 ire 113 et finalement vers une chambre 115 qui renferme un piston 117 étanchéifié par une bague d'étanchéité 119 contre la paroi du côté intérieur de la chambre. La vis 121 engage le filet 123 dans la tie inférieur de la chambre et lorsque l'on tourne la vis à l'aide de la roue 125 on peut augmenter ou diminuer le volume scellé 127 dans la chambre. Du raccord en "T" 111 une conduite 129 mène vers un dis- ; tributeur 131 relié à trois conduites séparées 133, 135 respective- ment 137 par des soupapes Vs, V8 et V7 et vers les raccords 137,141i, 143 ayant chacun une bague d'étanchéité 145. Le lubrifiant utilisé pour remplir le trépan doit être s ± stantiellement exempt d'air et de gaz. Autrement, l'augmentation de la pression du lubrifiant, tel que représenté par la courbe 11 dans la Fig. 7, sera beaucoup plus petite que selon cette Figure. Si suffisamment d'air ou de gaz se trouve dans le palier, la pression hydrostatique peut être plus grande que la pression du lubrifiant. L'enlèvement de l'air et du gaz peut être accompli avec l'appareil présenté dans la Fig. 7 en ouvrant les soupapes V1, V21 V4 et V5 tout en fermant les soupapes V3, V6, V7 et Y8 La pompe P1 est mise en marche pour former un vide de préférence égal à la pression atm - phérique. Le lubrifiant dans le volume scellé 127 de la chambre il jest soumis à ce vide pour une période d'environ 24 heures. On a trouvé que cela est suffisant pour libérer un lubrifiant avec une ;viscositéde 1200 secoesSaybolt Universal et d'une température de i37,80C de substantiellement tout air et gaz. Les passages et les espaces du système de lubrification du trépan de forage sont aussi évacués d'air et de gaz, mais cela doit être fait simultanément avec le dégazage du lubrifiant. Chaque raccord 139, 141, 143 est relié à une région ou un enfoncement élargi 29, de chacun des trois trous de remplissage 27 d'un trépan, les b kues d'étanchéité 145 formant un joint étanche. Les passages et es paces mentionnés ci-avant sont ensuite évacués en ouvrant les sou e pes V6, V7, V8 vers la pompe P1. La soupape V5 peut rester ouvert elle peut être fermée. Lorsque le lubrifiant et les passages et espaces sont sut s stantiellement exempts d'air et de gaz, la soupape V1 est fermée et l'étanchéité du système est contrôlée en observant le manomètre 107. Si l'indication du manomètre ne change pas,la soupape V4 est fermé pour bloquer le lubrifiant, la soupape V5 est ouverte et le lubri fiant est forcé dans les passages et les espaces du trépan de fora en entournant la roue 125 pour mouvoir le piston 117 vers l'inti rieur. La pression désirée, qui pour la viscosité mentionnée ci-ava nt est environ 35,2 kg/cm2, sera indiquée par le manomètre 113. Après le remplissage, la soupape V5 est fermée, les raccords 139, 141 et 143 sont enlevés du trépan et une soupape de réduction de pression 133 et un bouchon de retenue 34 sont introduites dans chaque région élargie supérieure 29 de chaque trou de remplissage 27. Lorsqu'une quantité appréciable de lubrifiant sort du trou de remplissage après avoir enlevé les raccords 93, 95 et 97 du trépan, le lubrifiant n'était pas dégazé de façon appropriée ou les passages et les espaces n'étaient pas évacués convenablement. Pour préparer l'appareil pour le trépan suivant qui est à évacuer avant d'être rempli de lubrifiant, le lubrifiant restant dans les conduites 129, 133, 135, 137 et dans la conduite 103 entre la soupape V4 et le raccord en "T" 111 doit être chassé. Cela est, accompli en ouvrant la soupape V3 vers la source d'air P2, tout en fermant les soupapes V2 et V5 et deux des soupape V6, V7 et V8. L'air chasse le lubrifiant restand/aangonduite associée avec la soupape ouverte V6, V7 ou V8 Chaque conduite 133,135, 137 doit tre purgée de cette façon. Lorsque les conduites 129, 133, 135, 137 sont purgées, la soupape V3 est fermée et les raccords 139,141,143 sont reliés aux trous de remplissage-d'un autre trépan pour l'évacuer et pour le lubrifier tel que décrit ci-avant. Si du lubrifiant reste dans les conduites et est aspiré vers la pompe à vide il sera accumulé dans 'a cuvette 105. Si une quantité suffisante de lubrifiant reste dans; ka chambre 115 après le remplissage du trépan précédent, le dégazagE du lubrifiant peut être éliminé. Lorsque l'on doit remplir du labri! fiant dans la chambre 115, celle-ci peut être détachée de la conduite j03, le piston 117 peut être retiré pour agrandir le volume scellé 127 et le nouveau lubrifiant peut être introduit.Le nouveau lubri- fiant doit être dégazé tel que décrit ci-avant. 1 En fonctionnement et pendant le forage avec le trépan, se pon le mode de réalisation préféré de la présente invention, rempli lubrifiant par l'appareil et la méthode décrits ci-avant, l'exmansion volumétrique du lubrifiant, à cause de l'augmentation de la empérature géothermique, tel que représenté sur la Fig. 6, et à cause de la friction dans le palier, provoque une augmentation de la pres-- s ion du lubrifiant dans la cavité fermée, qui est plus rapide que 'augmentation de la pression hydrostatique du fluide de forage dans ke puits de forage entourant le trépan. Si la pression du lubrifiant excède la pression exigée pour ouvrir la soupape de réduction de pression une partie du lubrifiant peur sortir pour maintenir la pression au-dessous d'une valeur prédéterminée. En outre, la bague d'étanchéité peut se déplacer axialement et elle peut par con-j séquent, compenser quelque peu les différences de pression, ce quij aide à maintenir la pression sur les cotés opposés du moyen d'étant chéité dans une gamme de valeurs prédéterminées. Le système de lubrification est isolé des pressions externes sauf pour le déplacement du moyen d'étanchéité selon le mode de réalisation préféré. De la description précédente il est évident que le trépan selon la présente invention a des avantages importants. Selon ltin vention on n'a pas besoin de compensateurs supplémentaires. La com pensation nécessaire est réalisée en se servant de l'expansion the - moque du lubrifiant, et en utilisant une soupape de réduction de pression et de façon limitée le déplacement du moyen d'étanchéité entre la fraise et son arbre de support. L'élimination de plusieur éléments de construction simplifie la fabrication et l'assemblage et permet d'obtenir une plus grande sûreté de fonctionnement en diminuant les erreurs possibles de fabrication et d'assemblage, le nombre des endroits à étanchéifier dans le trépan, et le nombre d' éléments pouvant être endommagés en fonctionnement. REVENDICATIONS 1. Trépan de forage ayant une fraise rotative montée sur un arbre de support, un système de lubrification et un moyen d'étanchéité entre la fraise et l'arbre de support, carctérisé en ce que le lubrifiant est renfermé dans une cavité fermée et rigide du sys thème de lubrification isolé de la pression externe sauf pour le dér placement du moyen d'étanchéité, en ce qu'un moyen de réduction de pression est prévue dans le système de lubrification pour décharger du lubrifiant en fonction de son expansion thermique, en ce que la pression du système de lubrification est contrôlée par le moyen de réduction de pression. 2.-- Trépan selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de lubrification qui est évacué pour être substantielle ment exempt d'air et de gaz et rempli d'un lubrifiant dégazé. 3. Trépan selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en 'ce que le système de lubrification a un trou de remplissage pour lubrifiant et en ce que le moyen de -réduction de pression et une soupape de réduction de pression dans le trou de remplissage. 4. Trépan selon une des revendications 1 à 3, caractérisê en ce que l'arbre de support pour la fraise a une ou plusieurs poches renfermant une réserve de lubrifiant. 5. Trépan selon une des revendication 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen d'étanchéité situé entre la fraise et l'arbre est une bague dlétanchéité qui peut se déplacer en fonction des va rations de la pression du lubrifiant et de la pression hydrostatitue. 6. Trépan de forage selon une des revendication 1 à 5, ca 'ractérisé en ce que l'arbre de support a un passage relié au trou de remplissage et communiquant avec les surfaces de palier de la fraise et de l'arbre de support, et en ce que le passage communiqué aussi avec une rainure formée dans une surface d'appui entre la se et l'arbre de support.