Brevet FR2378170A1 — publié le 19780818

L'invention concerne de façon générale les trépans de forage et elle se rapporte en particulier à un moyen perfectionné pour leur lubrification. Les trépans de forage ont normalement des systèmes de lubrification pour les roulements et les paliers. La lubrification appropriée des roulements et des paliers du trépan dépend d'un moyen d'étanchéité efficace, tel que celui décrit dans le brevet américain 3.397.928. Le système de lubrification comporte normalement un compensateur qui égalise les différentes pressions agissant sur le 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 intérieure du système de lubrification à une valeur prédéterminée au-dessus de la pression dans le puits de forage, tel que décrit dans le brevet américain 3.476.195. Des problèmes surviennent à cause de la complexité du système de lubrification qui se compose normalement d'un moyen d'é tanchéité, d'une membrane de compensation flexible et d'une soupape de réduction de pression. Dans le cas d'un mauvais fonctionnement d'un de ces éléments, l'efficacité du système de lubrification n'est plus maintenue. Quelque peu plus tard, l'endommagement du ou des paliers s'ensuit. Une diminution des éléments de construction du système de lubrification est par conséquent avantageuse. L'invention a pour but de fournir un trépan de forage ayant un système de lubrification simplifié pour permettre la compensation de la pression du lubrifiant avec un plus petit nombre d'éléments de construction. Selon l'invention cela est réali sué tzar la mise en corrélation du déplacement de volume potentiel du moyen d'étanchéité situé entre la fraise et l'arbre avec la variation potentielle du volume du lubrifiant en réponse à des changements de la température et de la pression lors du forage. Le déplacement de volume du moyen d'étanchéité est minimisé si le volume des passages et des espaces du système de lubrifiant est minimisé et rempli d'un lubrifiant essentiellement libre d'air et de gaz. Un remplissage efficace est réalisé par 11 évacuation d'air et de gaz de ces passages et espaces avant leur remplissage de lubrifiant. Le volume de déplacement potentiel du moyen d'étanchéité est plus grand que la variation du volume du lubrifiant ou égal à cette variation. Selon le mode de réalisation préféré de l'invention cela est accompli par l'utilisation d'un moyen d'étanchéité, tel qu'une bague d'étanchéité située dans une rainure ayant une largeur suffisamment plus grande que l'épaisseur de la bague d'é tanchéité pour permettre son déplacement le long de la rainure en réponse aux variations de volume attendues du lubrifiant. Deux modes de réalisation de l'invention sont représentés dans les dessins annexés et seront maintenant expliqués en plus grand détail, dans les dessins: La figure 1 est une représentation en perspective, partiellement en coupe, d'un trépan de forage ayant un système de lubrification construit selon la présente invention. La figure 2 est une représentation en coupe longitudinale d'une partie d'un trépan de forage selon un autre mode de réalisation de l'invention. La figure 3 est une représentation en coupe le long de la ligne 3-3 de la figure 2. La figure 4 est une représentation en coupe le long de la ligne 4-4 de la figure 2. La figure 5 est une représentation schématique du dispositif utilisé pour lubrifier le trépan représenté dans la figure 1; La présente invention utilise un principe et une structure pour mettre en corrélation les variations potentielles du volume du lubrifiant, en réponse à des variations de la température et de la pression lors du forage, avec le déplacement du moyen d'étanchéité pour contrôler la différence de pression sur les deux côtés du moyen d'étanchéité. Un trépan approprié est obtenu par la présente invention en minimisant le volume des passages et des espaces renfermant le lubrifiant de façon à minimiser la variation du volume du lubrifiant en réponse aux variations de la température et de la pression lors du forage. Cela permet de minimiser le déplacement nécessaire du moyen d'étanchéité.Selon le mode de réalisation préféré, la relation entre la largeur de la rainure et l'épaisseur ainsi que le déplacement du moyen d'étanchéité associé est telle que le déplacement du moyen d'étanchéité puisse accomplir l'égalisation ou la compensation nécessaire de la pression. Sur la figure 1 on a représenté un trépan de forage lu brifié et rotatif, désigné en son ensemble par 19. Le trépan de forage est un corps formé par trois têtes 21 supportant chacune une fraise rotative 23 ayant des dents 25 pour désintégrer la terre. Un trou de remplissage 27 a une partie supérieure élargie 29 munie d'un filetage en 31 pour recevoir un bouchon fileté 33. Le trou de remplissage intersecte un passage 34 qui mène vers un petit aplanissement 36 sur l'arbre 35 pour lubrifier le palier. Le palier est autrement identique à celui représenté sur la figure 2 en échelle agrandie. Un bout d'arbre 35, voir figure 2, s'étend vers l'intérieur en porte-à-faux de chaque têtue 21-et ce bout d'arbre se termine en un tourillon de guidage 38 qui intersecte une face d'appui 37. Le bout d'arbre 35 est muni d'une gorge à bille 39 et d'une surface de palier 41. L'extrémité 43 du tourillon 38 peut être munie d'une plaque en matière pour palier, telles que des alli ages à base de cobalt. Aussi les surfaces 45 et 41 peuvent être munies de telles garnitures. La fraise 23 a un bouton d'appui 47 pour engager l'extrémité du bout d'arbre et un manchon 49 pour engager la surface cylindrique 45. La fraise 23 a aussi une gorge à bille 51 et une rainure 53 pour recevoir un anneau d'étanchéité. La rainure 53 est en forme de L. Un bouchon 55 est soudé en 57 à la jambe 21 pour remplir un trou par lequel les billes 59 sont introduites pour remplir les gorges à bille 39 et 51 afin de retenir la fraise sur le bout d'arbre. Une bague d'étanchéité 61 peut effectuer un mouvement prédéterminé sur le bout d'arbre et dans la rainure 53 en forme de L de la fraise. Tel que représenté en coupe sur les figures 2, 3 et 4, le trou de remplissage 27 s'étend vers une rainure 73 (voir fi gure gué 4) formée dans la face d'appui 37 et sur une partie du tourillon 38 pour former sur celui-ci un aplanissement 75 afin d'obtenir un meilleur courant du lubrifiant. Le système de lubrification représenté et rempli d'un lubrifiant dégazé par une méthode qui élimine essentiellement tous l'air et le gaz dans le système à l'aide de l'appareil représenté schématiquement sur la figure 5. Une pompe à vide P1 est branchée par un tuyau ou une conduite 103 et par une soupape V1 à une cuvette 105. Un manomètre 107 est relié à la conduite 103 entre la soupape V1 et la cuvette 105. Un raccord en T 108 relie une soupape V3 et une source ;d'air P2, par une conduite 109, à la cuvette 105 et à la soupape V2 dans la conduite 103. La conduite 103 s'étend par le raccord en T 108 vers une soupape V4 et par un autre raccord en T 111 vers une soupape V5, un manomètre 113 et finalement vers une chambre 115. La chambre 115 renferme un piston 117 étanchéifié par une bague d'étanchéité 119 contre la surface intérieure de la paroi de la chambre. Une vis 121 coopère avec un filet 123 dans la région inférieure de la chambre et lorsque l'on tourne la vis à l'aide du manche 125 , un volume scellé 127 est augmenté ou diminué dans la chambre. Du raccord en T 111 une conduite 129 mène vers un distributeur 131 relié à trois conduites séparées 133, 135 et 137 munies de soupapes V6, V8 et V7 vers des raccords 139, 141 et 143 ayant chacun une bague d'étanchéité 145. Le lubrifiant utilisé pour remplir le trépan doit être substantiellement exempt d'air et de gaz. Cela peut être accompli avec l'appareil représenté dans la figure 5 en ouvrant les soupapes V1, V2, V4 et V5 tout en fermant les soupapes V3, V61 V7 et V8. La pompe P1 est mise en marche pour produire une pression approximativement égale à zéro absolue. Le lubrifiant renfermé dans le volume scellé 127 de la chambre 115 est soumis à ce vide pour une période d'environ 24 heures. On a trouvé que cela est suffisant pour débarrasser un lubrifiant avec une viscosité de 1200 secondes Saybolt o Universal à 37,7 C d'approximativement tous l'air et le gaz. Les passages et les espaces de lubrification du trépan sont aussi évacués air et de gaz mais cela ne doit pas être fait simultanément avec le dégazage du lubrifiant. Chaque raccord 139, 141 et 143 est relié à la région élargie ou l'enfoncement 29 de chacun des trois trous de remplissage 27 d'un trépan à trois têtes. Les bagues d'étanchéité 145 forment un joint étanche au fluide entre les raccords et les enfoncements des trous de remplis- sage. Les passages et espaces mentionnés ci-avant sont ensuite évacués en ouvrant les soupapes V6, V7 et V8 vers la pompe à vide P1. La soupape V5 peut rester ouverte ou peut être fermée et les soupapes V1, V2 et V4 restent ouvertes. Lorsque le lubrifiant et les passages ainsi que les espaces sont substantiellement exempt d'air et-de gaz, la soupape V1 est fermée et on observe le manomètre 107 pour déterminer si le système n'a pas de fuites.Si l'indication du manomètre ne change pas, la soupape V4 est fermée pour bloquer le lubrifiant , la soupape V5 est ouverte et le lubrifiant est forcé dans les passages et les espaces du trépan en tournant le manche 25 pour mouvoir le piston 117 vers l'intérieur. La pression désirée, qui pour 2 la viscosité mentionnée ci-avant est environ 35 kg/cm sera indi- quée par le manomètre 113. Après le remplissage, la soupape V5 est fermée et les raccords 139, 141 et 143 sont enlevés du trépan. Si une quantité appréciable de lubrifiant sort du trépan lorsqu'on enlève les raccords 139, 141 et 143 une quantité de gaz ou d'air est enfermée dans le trépan. Cela indique que le lubrifiant n'était pas dégazé d'une façon appropriée ou que les passages et les espaces du trépan n'étaient pas convenablement évacués. Pour préparer le système pour le trépan suivant qui doit être évacué avant d'être rempli de lubrifiant, le lubrifiant dans les conduites 129, 133, 135, 137 et dans la conduite 103 entre la soupape V4 et le raccord en T 111 doit être enlevé. Cela est réalisé en ouvrant la soupape V3 vers une source d'air P2 tout en fermant les soupapes V2 et V5 et deux des trois soupapes V6, V7 et V8. L'air- sous pression chasse les restes de lubrifiant de la conduite associée avec la soupape ouverte V6, V7 ou V8. Chaque conduite 133, 135 et 137 doit être purgée de cette manière. Lorsque les conduites 129, 133, 135 et 137 sont purgées, la soupape V3 est fermée et les raccords 139, 141 et 143 sont reliés aux trous de remplissage d'un autre trépan pour l'évacuer et pour le remplir de lubrifiant tel que décrit ci-avant. Si du lubrifiant reste dans les conduites et est aspiré vers la pompe à vide, il sera accumulé dans la cuvette 105. Si une quantité suffisante de lubrifiant reste dans la chambre 115 après le remplissage du trépan précédent, le dégazage du lubrifiant peut être éliminé. Lorsque l'on doit remplir du lubrifiant dans la chambre 115, celleci peut être détachée de la conduite 103, le piston 117 peut être déplacé vers le bas pour augmenter le volume scellé 127 et ensuite le nouveau lubrifiant est introduit. Le nouveau lubrifiant doit être dégazé tel que mentionné ci-avant. Après avoir introduit le lubrifiant dans le trépan , un volume prédéterminé de lubrifiant est enlevé du trou de remplissage 27 et un bouchon 33 est placé dans chaque région élargie de chaque trou de remplissage. L'enlèvement du lubrifiant cause l'inclusion d'un volume d'air prédéterminé dans le système de lubrification après l'étanchéisation du bouchon 33. Lorsque le trépan est introduit dans un puits, le volume d'air enfermé diminue rapidement lorsque la pression hydrostatique augmente et la bague d'étanchéité se déplace vers une position intermédiaire dans sa rainure. En fonctionnement et pendant le forage avec le trépan selon le mode de réalisation préféré rempli de lubrifiant par l'ap pareil et la méthode décrits ci-avant, des variations volumétriques du lubrifiant ont lieu à cause de l'augmentation de la température géothermique, à cause de l'augmentation de la température par la friction pendant la rotation du trépan dans le puits de forage, et à cause de l'augmentation de la pression hydrostatique lorsque le trépan est descendu vers le fond du puits. A cause de ces variations du volume du lubrifiant la bague d'étanchéité 61 est déplacée dans la rainure 53.On doit calculer le volume du lubrifiant, considérer sa variation volumétrique maximale à cause des variations de température et de pression lors du forage, et permettre ensuite un déplacement volumétrique suffisant de la bague d'étanchéité, qui est au moins aussi grand que, et de préférence plus grand que la variation volumétrique du lubrifiant. De cette manière la chute de pression à travers la bague d'étanchéité est minimisée et son efficacité ainsi que sa durée de vie sont consi- , dérablement améliorées. Lorsque le trépan est levé du fond du puits de forage, la température du lubrifiant diminue de même que la pression hydrostatique du fluide dans le puits de forage. La bague d'étanchéité sera alors déplacée dans sa rainure en fonction des variations du volume lubrifiant. De la description précédente il est évident que le trépan selon l'invention a des avantages importants. Selon l'invention on n'a pas besoin d'un compensateur spécial à côté du déplacement du moyen d'étanchéité.Le trépan de forage lubrifié selon la présente invention a un nombre minimal d'éléments de construction, ce qui augmente sa sureté de fonctionnement. I1 est évident que l'invention n'est pas limitée auxmodes de réalisation décritsci-avant, mais que des changements peuvent y être apportés sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1. Trépan de forage ayant une fraise rotative montée sur les surfaces d'un bout d'arbre, et un système de lubrification, caractérisé en ce que le système de lubrification a des passages et des espaces remplis de lubrifiant ayant un potentiel de varia tion de volume prédéterminé en réponse à la variation de la tempé rature et de la pression lors du forage, un moyen d'étanchéité situé entre la fraise rotative et le bout d'arbre et pouvant se déplacer en réponse à la variation du volume du lubrifiant, et en ce que la variation potentielle du volume du lubrifiant est mise en corrélation avec le déplacement potentiel du moyen d'étanchéité pour permettre un déplacement suffisant du moyen d'étanchéité afin de limiter la différence des pressions agissant auxctesoppos 6sdu moyen d'étanchéité. 2. Trépan selon la revendication 1, caractérisé en ce que les passages et les espaces du système de lubrification sont éva cués d'air et de gaz et remplis d'un lubrifiant essentiellement exempt d'air et de gaz. 3. Trépan selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la variation potentielle du volume du lubrifiant est plus petite que ou égale au déplacement potentiel du moyen d'étanchéité pour égaliser approximativement les pressions agissant aur côtés opposésdu moyen d'étanchéité, sans avoir besoin d'une égalisation ; supplémentaire de la pression. 4. Trépan selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen d'étanchéité est une bague d'étanchéité située dans une rainure ayant une largeur suffisamment plus grande que l'épaisseur de la bague d'étanchéité pour permettre son déplacement dans la rainure en réponse à des variations du volume du lubrifiant. 5. 5. Trépan selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la variation potentielle du volume du lubrifiant dépend des variations de la température et de la pression qui se présen tent lors du forage, et est au moins aussi grande que les diminu tions potentielles du volume en réponse à l'augmentation de la pression hydrostatique du fluide dans le puits de forage , et en ;ce que l'augmentation potentielle du volume de lubrifiant est plus petite que le déplacement potentiel du moyen d'étanchéité pour égaliser approximativement les pressions agissant contre le moyen d'étanchéité.