Brevet FR2410149A1 — publié le 19790622

La présente invention concerne le matériel de forage, et a notamment pour objet une turboforeuse. Il est plus avantageux d'utiliser la turboforeuse proposée pour forer des puits à gaz et à pétrole profonds en se servant d'outils à diamant et à molettes. En plus, l'invention proposée peut entre utilisée pour le forage de puits inclinés dirigés lors de l'exploitation des gisements de pétrole et de gaz par nids. On connatt une turboforeuse dans le corps duquel sont fixés les stators de la turbine et son assemblés en série les arbres portant les rotors et formant l'arbre de la turboforeuse. La turboforeuse comprend une cartouche-pivoterie, dont l'arbre monté sur un appui à rotule porte un outil de forage. La turboforeuse connue est à plusieurs sections, du fait que son corps est composite et que chaque arbre portant les rotors repose sur un appui radial. Chaque section de la turboforeuse est constituée par un arbre avec rotors et appuis radiaux, l'ensemble étant placé dans un corps distinct, Les corps des sections de la turboforeuse sont réunis par des raccords filetés : à cet effet, les extrémités des corps sont munies de raccords de réduction, tandis que les arbres sont accouplés rigidement par l'intermédiaire de manchons coniques à cannelures. Le corps de celle des sections de la turboforeuse qui est la plus proche de la cartouche-pivoterie est accouplé au corps de ce dernier par des raccords de réduction, tandis que l'arbre de la section en question est relié ridigement à celui d'une cartouche-pivoterie par l'intermédiaire d'un manchon conique à cannelures. Dans une telle turboforeuse, les différents arbres constituant l'arbre composite et reliés rigidement au moyen des manchons coniques à cannelures, forment un ensemble unique Un tel arbre possède une grande masse, qui est supportée par l'outil de forage et produit un effet nuisible sur les caractéristiques dynamiques de l'outil de forage au cours de son fonctionnement en présence de vibrations axiales. Les caractéristiques dynamiques de l'outil de forage en fonctionnement s'accroissent surtoui- dans le cas où appui à rotule, constitué par un roulement de butée, présente un jeu pour lequel la force de réaction de la surface attaquée devient égale ou proche de la charge hydraulique de sens opposé. Le fonctionnement à ce régime est lié à un niveau élevé de vibrations axiales, ce qui est nuisible à la tenue de l'outil de forage. D'autre part, lorsque la charge axiale est transmise à l'outil de forage par l'intermédiaire du train de forage et du corps de la turboforeuse, il se produit une flexion du corps, de grande longueur, de la turboforeuse. L'arbre qui tourne dans ce corps présente un moment d'inertie important. La flexion du corps aboutit au fléchissement de l'arbre de la turboforeuse. Donc, en réalité, arbre tourne non pas autour de l'axe du corps de la turboforeuse. Le moment d'inertie important de l'arbre provoque, pendant sa rotation dans le corps courbé, la formation de vibrations transversales du corps et de l'arbre de la turboforeuse, qui sont transmises à l'outil de forage et sont aussi nuisibles à la tenue de ce dernier. Dans la turboforeuse en question, les rotors de la turbine sont mis dans une position médiane par rapport aux stators de la turbine. Il en résulte que le roulement de butée de la cartouche-pivoterie peut s'user d'une valeur égale à la moitié du jeu de la turbine, autrement dit e 5 à 6 mm, ce qui limite la durée de fonctionnement sans réparations de la turboforeuse. Compte tenu des inconvénients énumérés ci-dessus, on stest proposé de créer une turboforeuse dans laquelle le montage de chaque arbre portant les rotors et les accouplements de ces arbres entre eux et avec l'arbre de la cartouche-pivoterie permettraient pour une fréquence de rotation relativement élevée et pour des charges importantes exercées sur l'outil de forage, de supprimer les vibrations axiales et transversales élevées de ce dernier et de diminuer sensiblement la charge dynamique sur l'outil et augmenter sa tenue et le temps de fonctionnement sans réparations de la turboforeuse. Ce problème posé est résolu grâce à la turboforeuse proposée, dans le corps de laquelle sont fixés rigidement les stators d'une turbine à étages multiples et est monté un arbre constitué par des arbres portant les rotors et assemblés en série, et contenant une cartouche - pivoterie dont l'arbre porte un outil de forage et repose sur un appui à rotule, ladite turboforeuse étant caractérisée, suivant l'invention, en ce que chaque arbre portant les rotors est monté sur un appui à rotule individuel et est relié à l'arbre voisin avec possibilité d'effectuer des déplacements relatifs par rapport à lui. Grâce à -ce que chaque arbre de l'arbre composite repose sur un appui individuel, outil de forage n'est soumis principalement, qu'aux vibrations axiales de l'arbre de la cartouche-pivoterie de forage. Cette réalisation de l'appui à rotule réduit au minimum les pertes dues au frottement. L'accouplement des arbres voisins entre eux avec la possibilité de leur déplacement relatif permet d'exclure l'influence nuisible de leurs vibrations sur l'outil de forage et réduit notablement la masse des pièces se trouvant audessus de l'outil, ce qui diminue la charge dynamique s'exerçant sur l'outil de forage. Dans la turboforeuse proposée il est plus avantageux de relier les arbres voisins au moyen d'un accouplement coulissant dont les éléments ou manchons sont fixés aux extrémités de ces arbres. L'accouplement coulissant en question permet de réduire l'action des vibrations axiales et transversales de l'arbre sur l'outil de forage. Il est avantageux que les dimensions des sections transversales des manchons soient telles qu'elles permettent de compenser la non-coaxialité des arbres voisins. Le fait de permettre les déplacements angulaires relatifs des arbres (les uns par rapport aux autres) assure la souplesse de l'arbre composite et une réduction des vibrations transversales en cas de la flexion du corps de la turboforeuse. Il est bon qu'au moins l'accouplement placé entre l'arbre de la cartouche-pivoterie et l'arbre voisin soit doté d'un amortisseur hydraulique. L'amortisseur hydraulique permet de réduire davantage l'amplitude des vibrations axiales de ltoutil de forage. En pratique, la manière la plus simple de réaliser l'amortisseur hydraulique est de ménager dans le manchon enveloppant une cavité communiquant avec l'espace entre le corps et l'arbre de la turboforeuse, et d'utiliser un élément d'étanchéité logé dans le manchon enveloppé. En cas de forage de roches dures, il est avantageux que l'accouplement placé entre l'arbre de la cartouche-pivoterie et l'arbre voisin soit doté d'un ressort monté entre les manchons dudit accouplement. Le ressort assure le desserrage des arbres et prévient ainsi le rebondissement de l'outil de forage sur la surface d'attaque. Afin d'augmenter le temps de fonctionnement de la turboforeuse sans réparations, il est avantageux que chaque rotor de la turbine soit monté avec un jeu axial minimal par rapport au stator correspondant. Dans ce cas, la valeur admissible, dans les appuis à rotule des sections de la turboforeuse, du jeu produit sous l'action de la charge hydraulique peut titre portée jusqu'à la valeur du jeu de la turbine. En cas d'utilisation d'un ressort amortisseur au lieu de l'amortisseur hydraulique, il est aussi avantageux que chacun des rotors de turbine disposés sur l'arbre voisin de celui de la cartouche-pivoterie soit monté avec un jeu axial maximal par rapport au stator correspondant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, d'exemples de réalisation non limitatifs illustrés par les dessins annexés dans lesquels - les figures 1, 1a' et lb' représentent une vue d'ensemble de la turboforeuse suivant l'invention (erFcoupe longitudinale); - la figure 2 montre l'accouplement des arbres avec 1'amortisseur hydraulique se trouvant dans le manchon coulissant, suivant l'invention (en coupe longitudinale); - la figure 3 montre la connexion des arbres avec le ressort incorporé dans le manchon coulissant, suivant l'invention (en coupe longitudinale). La turboforeuse proposée, représentée à titre d'exemple non limitatif sur les figures 1, la' et lb' est une turboforeuse à deux sections. Dans le corps de la turboforeuse, constitué par les corps I et 2 assemblés entre eux, sont fixés rigidement les stators 3 de la turbine à étages multiples, et est monté un arbre constitué par les arbres 4, 5 reliés entre eux et portant les rotors 6 de la turbine. Les corps 1, 2 des sections de la turboforeuse sont réunis au moyen de raccords de réduction 7 et 8. La turboforeuse comprend une cartouche-pivoterie dans le corps 9 de laquelle est monté l'arbre 10 portant l'outil de forage (non représenté). L'arbre 10 de la cartouchepivoterie est monté dans le corps 9 sur un appui à rotule constitué par un roulement axial et radial multiétagé il, dont les bagues intérieures sont fixées sur l'arbre 10, et les bagues extérieures, dans le corps 9 de la cartouchepivoterie. Le corps 2 de celle des sections de la turboforeuse qui est la plus proche de la cartouche-pivoterie est lui aussi relié au corps 9 de la cartouche-pivoterie par l'intermédiaire des raccords de réduction 8 et 12. Suivant l'invention, chaque arbre 4, 5 portant les rotors 6 est monté sur un appui à rotule individuelS en ce cas constitué par un roulement 13. Les bagues intérieures respectives des roulements 13 sont fixées respectivement sur les arbres 4, 5 et leurs bagues extérieures, respectivement dans les corps 1, 2 de la turboforeuse conjointement avec les stators 3 de la turbine. L'arbre 4 portant les rotors 6 est accouplé à l'arbre 5 qui est relié à son tour à l'arbre 10 de la cartouche-pivoterie, de manière à permettre les déplacements relatifs de ces arbres l'un par rapport à l'autre. A cet effet, sur les extrémités voisines des arbres 4, 5, 10 sont montés des accouplements coulissants, constitués, l'un d'un fanchon enveloppant 14 et d'un manchon enveloppé 15, et l'autre, d'un manchon enveloppant 14 et d'un manchon enveloppé 16, fixés respectivement aux extrémités correspondantes des arbres voisins 4, 5 et 10. Les dimensions des sections transversales des accouplements 14-15 et 14-16 sont telles qu'elles permettent de compenser la non coaxialité des arbres voisins 4, 5, 10 et, par conséquent, assurent un certain déplacement angulaire entre lesdits arbres. Les accouplements 14-15 et 14-16 sont de section carrée et leurs manchons 14, 15 et 15 respectifs sont assemblés entre eux avec un jeu qui pendant le fonctionnement, permet un déplacement angulaire de l'arbre d'une section par rapport aux arbres des autres sections, y compris l'arbre de la cartouche-pivoterie. De ce fait, l'arbre composite de la turboforeuse se comporte comme un arbre flexible, ce qui aboutit, malgré la flexion du corps, à une réduction notable des vibrations transversales du corps et, par conséquent, améliore les conditions de fonctionnement et augmente la durée de son travail sur le front de taille. Pour réduire davantage l'amplitude des vibrations axiales de la turboforeuse, on a recours à des amortisseurs hydrauliques tels que celui représenté sur la figure 2, qu'on installe dans les accouplements coulissants 14-15 et 14-16. Ces amortisseurs hydrauliques sont destinés à diminuer le niveau des vibrations axiales, ce qui a un effet positif sur le fonctionnement et la tenue de l'outil. L'amortisseur hydralique utilisé dans la turboforeuse est formé par une cavité 17 pratiquée dans le manchon enveloppant 14 et communiquant avec un espace formé entre le corps 2 et l'arbre 5 de la turboforeuse, et par un élément d'étanchéité placé dans le manchon enveloppé 15. En tant qu'élément d'étanchéité on utilise une bague de caoutchouc 19 qui fait office de piston. La communication entre la cavité 17 et l'espace 18 se fait à travers une tubulure 20 logée dans le manchon enveloppé 15 et à travers les orifices 21 et 22 de ce dernier. De tels accouplements sont prévus tant entre les arbres des sections au'entre l'arbre de la section inférieure et 11 arbre de la cartouche-pivoterie (dans ce dernier cas, l'avantage tiré est maximal. Pour éviter les rebondissements de l'outil de forage sur la surface d'attaque pendant le forage de roches dures, on place dans l'accouplement 14-16 (figure 3) reliant l'arbre 10 de la cartouche-pivoterie et l'arbre voisin 5, un ressort 23 dont les extrémités agissent sur les manchons 14 et 16 respectivement. L'effort créé par le ressort 23 pousse vers le bas l'arbre 10 de la cartouche-pivoterie et, en présence du jeu axial dans l'appui à rotule 11, empoche l'outil de forage de s'écarter de la surface d'attaque. il est avantageux que l'effort de compression du ressort 23 soit supérieur à la valeur de la charge hydraulique appliquée à la section inférieure de la turboforeuse et qu'elle soit proche de la valeur de la charge subie par l'outil de forage. La cartouche-pivoterie est réalisée de sorte que son arbre 10 puisse se déplacer par rapport à l'arbre 5 de la section inférieure d'une valeur considérable (de 11 ordre de 30 à 40 mm). Cette valeur de déplacement détermine la marge de réserve pour la formation du jeu dans le roulement axial Il de la cartouche-pivoterie et, par conséquent, la durée de service de ce roulement axial. Pendant le forage, tous les roulements axiaux de la turboforeuse proposée ne subissent que des charges unilatérales. Pour augmenter la durée de service des roulements 13 logés dans les sections de la turboforeuse, lorsque la liaison entre les arbres 4, 5 et 10 de la turboforeuse est réalisée au moyen des accouplements codlissants 14-15 et 14-16 avec ou sans utilisation d'amortisseurs, chaque rotor 6 de la turbine est monté avec un jeu axial 24 minimal par rapport à son stator 3 (figure 1 ). Dans le meme but, si lton utilise le ressort 23 dans la section voisine de la cartouche-pivoterie, chaque rotor 6 de la turbine 6 est monté avec un jeu axial 24 maximal par rapport à son secteur stator 3. Des supports 25 sont utilisés pour la fixation des stators 3 et des bagues extérieures des roulements 13 dans les corps 1 et 2 de la turboforeuse. Les douilles d'écartement 26 servent à fixer les rotors 6 et les bagues intérieures des roulements 13 sur les arbres 4 et 5. La douille d'écartement 27 et les bagues extérieures 28 des presse-étoupes 29 sont prévues pour la fixation des bagues extérieures du roulement à charge axiale et radiale 11 dans le corps 9 de la cartouche-pivoterie. Les douilles 30 des presse-étoupes 29 et la douille d'écartement 31 sont préwlEspour la fixation des bagues intérieures du roulement 11. Le manchon 15 vissé sur l'arbre 10 de la cartouche pivotante est percé de trous 32 pour le passage de la boue de forage à travers la cavité de l'arbre 10 vers l'outil de forage. La turboforeuse proposée fonctionne comme suit La boue de forage refoulée par les pompes à bt > ue (non représentées) passe par le train de forage (non représenté) et arrive dans le raccord de réduction supérieur 7 de la turboforeuse. Puis la boue de forage traverse le support 25, évite le roulement supérieur 13 dans lequel est monté l'arbre 4 de la section supérieure et arrive à la turbine de la section supérieure en passant par le support 25 $uivant. Après sa sortie du dernier étage de la turbine Se la section supérieure de la turboforeuse, la boue de forage passe à travers les raccords de réduction 8 et 7 se trouvant eire les sections, pénètre dans la section suivante de la turboforeuse, où il contourne le roulement 13 dans lequel est monté arbre 5 de cette section, et arrive ensuite à la turbine à enrages multiples de la section suivante. En sortant du dernier étage de la turbine de la section inférieure de la turboforeuse, la boue de forage passe par les raccords de réduction 8 et 12, par les orifices 32 du manchon 16, pénètre dans la cavité intérieure 17 de l'arbre de la cartouche-pivoterie, passe ensuite dans l'outil de forage avant d'arriver au fond du sondage. En passant par les turbines la boue de forage crée sur le système te stators 30 un couple de réaction de sens antihoraire, et dSmm le système de rotors 6, un couple de rotation de sens horaIre~ Le couple de rotation engendré par les rotors 6 de la turMine se transmet aux arbres 4 et 5 des sections en leur imprimant un mouvement de rotation.Les couples créés sur les arbres 4 et 5 des sections sont additionnés par l'accouplement colnaSsant 14-15 et sont transmis par l'accouplement 14-16 à l'arbre 10 de la cartouche-pivoterie et ensuite à l'outil de forage -fixé à l'arbre 10. Dans une turboforeuse utilisant uniquement des accouplements coulissants, les roulements axiaux 13 logés dans les sections ne subissent au cours du forage q charge hydraulique agissant de haut en bas, tandis que le roulement Il de la cartouche-pivoterie subit la réaction de la surface d'attaque, agissant de bas en haut, moins la charge hydraulique appliquée sur la face en bout de l'arbre 10. De ce fait, les rotors 6 des turbines sont montés avec un jeu 24 minimal par rapport aux stators 3 correspondants. L'utilisation de l'accouplement coulissant entre l'arbre 5 de la section inférieure et l'arbre 10 de la cartouche-pivoterie permet de réduire sensiblement la masse des pièces se trouvant au-dessus de l'outil et, par conséquent, de diminuer la charge dynamique agissant sur I1 outil de forage en fonctionnement, ce qui, à son tour, contribue à l'augmentation de sa tenue. L'utilisation des accouplements coulissants entre les sections, en permettant de compenser la non-coaxialité des arbres 4, 5 et 10 des sections et de la cartouche-pivoterie, donne une certaine souplesse à l'arbre composite de la turboforeuse et réduit les vibrations transversales du corps de la turboforeuse, ce qui améliore encore les conditions de fonctionnement de l'outil de forage. Dans une turboforeuse utilisant des accouplements coulissants avec amortisseur hydraulique, 1'expulsion du liquide de la cavité 17 par l'élément d'étanchéité 19 crée une certaine résistance au déplacement axial des arbres 4, 5 et 10 des sections et de la cartouche-pivoterie. Cela aboutit à une diminution de l'amplitude des vibrations et, par conséquent, à l'amélioration des conditions de fonctionnement de l'outil de forage. Dans cette turboforeuse, les rotors 6 sont montés avec un jeu 24 minimal par rapport aus stators 3 correspondants.Le ressort 23 placé entre l'arbre 5 de la section inférieure et l'arbre 10 de la cartouche-pivoterie exclut le rebondissement de l'outil sur le fond de taille à condition que l'effort de compression préliminaire du ressort soit supérieur à la charge hydraulique appliquée à l'arbre 5 de la section inférieure et que sa valeur soit proche de celle de la réaction de la surface d'attaque. A cet effet, les rotors 6 de la section inférieure de la turbine sont montés avec un jeu 24 maximal par rapport aux stators 3 correspondants. Bien entendu, l'invention n1 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 équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-casontexécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Turboforeuse du type comportant un corps dans lequel sont fixés rigidement les stators d'une turbine à étages multiples et est monté l'arbre de la turboforeuse, formé d'arbres assemblés en série et portant les rotors de ladite turbine, et une cartouche-pivoterie dont l'arbre porte l'outil de forage etestmonté sur un appui à rotule, caractérisee en ce que chaque arbre portant les rotors est monté sur un appui à rotule individuel et est susceptible de déplacements relatifs par rapport aux arbres voisins. 2. Turboforeuse suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les extrémités. des arbres mutuellement voisins sont reliées entre elles au moyen d'accouplements coulissants respectifs comprenant chacun un manchon enveloppant et un manchon enveloppé coulissant l'un par rapport à l'autre et fixés aux extrémités correspondantes de ces arbres. 3. Turboforeuse suivant l'une des revendications 1 et 2 caractérisée en ce que lesdits manchons présentent des sections transversales dont les dimensions permett nt de compenser la non-coaxialité des arbres mutuellement voisins reliés entre eux par lesdits manchons. 4. Turboforeuse suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que au moins l'un des accouplements reliant entre eux les arbres mutuellement voisins de la turboforeuse est équipé d'un amortisseur hydraulique. 5. Turboforeuse suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'au moins l'accouplement reliant l'arbre de la cartouche-pivoterieàl'arbre voisin est équipé d'un amortisseur hydraulique. 6. Turboforeuse suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'amortisseur hydraulique est formé par une cavité pratiquée dans le manchon enveloppant et communiquant avec un espace ménagé entre le corps et l'arbre de la turboforeuse, et par un élément d'étanchéité placé dans le manchon enveloppé. 7. Turboforeuse suivant l'une des revendications 1 à 4 et la revendication 6, caractérisée en ce que l'accouplement placé entre l'arbre de la cartouche-pivoterie et l'arbre voisin est équipé d'un ressort logé entre les manchons dudit accouplement. 8. Turboforeuse suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chacun des rotors de la turbine est monté avec un jeu axial minimal par rapport au stator correspondant. 9. Turboforeuse suivant l'une des revendications 1 à 4 et la revendication 7, caractérisée en ce que chacun des rotors de turbine disposés sur l'arbre adjacent à l'arbre de la cartouche-pivoterie est monté avec un jeu axial maximal par rapport au stator correspondant.