Brevet FR2458668A1 — publié le 19810102

La présente invention concerne, d'une manière générale, la technique du forage et elle se rapporte plus particulièrement à un marteau perfora- teur de rocher à commande fluidique conçu pour être utilisé au fond d'un trou de sonde. Les marteaux perforateurs à commande fluidiques comprennent, en général, une partie de corps annulaire comportant une chambre centrale. Un piston est monté dans la cham- bre centrale de façon à pouvoir se déplacer axialement pour produire les coups de marteau. Un trépan est raccordé au corps annulaire pour recevoir les coups de marteau. Des passages sont formés dans le corps annulaire et dans le piston pour distribuer le fluide moteur servant à déplacer le piston de façon qu'alternativement il frappe les coups de marteau et reprenne sa position initiale. Dans les dispo- sitifs de la technique antérieure, il se produit quelquefois un phénomène appelé "martèlement en re- tour". Le martèlement en retour a eu tendance à se produire dans les marteaux perforateurs de ro- cher de la technique antérieure du fait de l'absence d'une force servant à maintenir le piston dans sa position basse extrême. Par exemple, lorsqu'un mar- tèlement doit être interrompu, on soulève le train de tiges, ce qui permet ainsi au trépan de tomber jusqu'à sa position basse extrême. Le piston devrait également retomber à sa position basse extrême et y rester. Cependant, le piston a souvent tendance à "flotter" au dessus du trépan. Ceci produit une action de martèlement non voulue sur le trépan. Ce martèlement en retour est très nuisible aux surfaces du marteau et de l'enclume et à d'autres éléments du marteau perforateur de rocher. Dans le brevet des EUA n0 4.015.670 au nom de Ian Graeme Rear, accordé le 5 Avril 1977, un marteau à commande fluidique a été représenté. Le marteau à commande fluidique pour perforateur de ro- cher comporte: un cylindre; un mandrin porte-trépan monté à une extrémité du cylindre pour recevoir un trépan; un raccord de montage de perforateur fixé à l'autre extrémité du cylindre; un conduit d'ali- mentation en fluide, tubulaire, monté dans le raccord de perforateur et s'étendant en direction du mandrin, l'axe longitudinal central du tube d'alimentation correspondant à l'axe longitudinal central du cylindre; au moins une série d'ouvertures formées dans la paroi latérale du tube d'alimentation et espacées de chaque extrémité du tube; un piston monté coulissant dans le cylindre et sur le tube de façon à pouvoir se dé- placer entre le mandrin porte-trépan et le raccord de montage de perforateur, son extrémité inférieure étant agencée de façon à pouvoir frapper une partie du tré- pan qui s'étend à travers le mandrin porte-trépan; un premier passage formé dans le piston, communiquant avec une première face d'extrémité de ce dernier et débou- chant au centre du piston dans un emplacement espacé dans le sens de la longueur du piston; un second pas- sage formé dans le piston, communiquant avec la face d'extrémité du piston qui communique avec l'extrémité du piston opposée à celle dans laquelle débouche le premier passage et débouchant au centre du piston dans un emplacement espacé dans le sens de la longueur du piston; le premier passage communiquant avec l'une des séries d'ouvertures formées dans le tube d'alimen- tation lorsque le piston est dans une disposition en butée contre le mandrin pour admettre du fluide dans l'espace compris entre le piston et le mandrin porte- trépan afin d'entraîner le piston vers le.haut et le second passage communiquant avec l'une des séries d'ouvertures lorsque le piston est dans sa position haute dans le cylindre pour admettre du fluide dans l'espace compris entre le piston et le raccord de montage de perforateur afin d'entra ner le piston vers le bas. Dans le brevet des EUA nO 3.896.886 au nom de Théodore J. Roscoe Jr, accordé le 29 Juillet 1975, a été représenté un marteau pneumatique compor- tant une structure de carter extérieure susceptible d'être raccordée à un train de tiges de forage rota- tif dans lequel de l'air comprimé est conduit. Un marteau pilon se déplace en va-et-vient dans la struc- ture de carter, de l'air comprimé étant alternative- ment envoyé sur les extrémités supérieure et infé- rieure du piston pour provoquer son déplacement en va-et-vient dans la structure, chaque course de haut en bas du marteau provoquant l'application d'un coup violent sur la partie d'enclume d'un trépan à enclume qui s'étend vers le haut à l'intérieur de la partie inférieure de la structure du carter. L'écoulement de l'air jusqu'aux extrémités supérieure et inférieure du marteau pilon est commandé par des passages distribu- teurs formés dans le piston et par un tube d'alimenta- tion en air relativement fixe qui ferme le passage raccordé à l'extrémité inférieure du piston lorsque la structure de carter extérieure est soulevée par le train de tiges de forage pour permettre au trépan de pendre au-dessous du carter pendant que de l'air est mis en circulation pour entraîner les débris de forage hors du trou de sonde. La présente invention a pour objet un mar- teau perforateur de rocher qui comporte un corps de marteau annulaire. Un mandrin porte-trépan est monté à l'extrémité inférieure du corps de marteau. Un tré- pan s'étend à travers le mandrin porte-trépan et pé- nètre dans le corps. L'extrémité supérieure du corps de marteau est raccordée à un train de tiges. Un pis- ton est monté coulissant dans le corps de marteau de façon à pouvoir se déplacer entre le trépan et une position supérieure pour appliquer des coups de mar- teau au trépan. Des moyens sont prévus pour mainte- nir une surpression au-dessus du piston lorsque le trépan est écarté du fond du trou et pour empêcher, de ce fait, le martèlement en retour. Les caractéristiques et avantages ci-des- sus de l'invention apparaîtront, ainsi que d'autres, à la lecture de la description détaillée qui va sui- vre, considérée en combinaison avec les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un marteau perfora- teur de rocher dans lequel un piston coulissant est en train d'appliquer un coup de marteau à un trépan; la figure 2 représente le marteau perfo- rateur avec le piston coulissant dans sa position hau- te extrême; la figure 3 représente le marteau perfora- teur avec le trépan soulevé au-dessus du fond du trou de sonde. Sur les dessins auxquels on se référera maintenant, on a représenté un marteau perforateur de rocher 10 à commande fluidique à trois étapes diffé- rentes de son fonctionnement, représentées respecti- vement sur les figures 1, 2 et 3. Le marteau 10 est représenté disposé dans un trou de sonde 11 foré dans la terre. Sur les figures 1 et 2, le marteau 10 est représenté reposant sur le fond 12 du trou de sonde et dans la position de forage. Sur la figure 3, le mar- teau 10 est représenté soulevé au-dessous du fond 12 du trou de sonde 11 et le fluide de forage circule à travers et hors du marteau 10. Le marteau 10 comporte un cylindre 13 muni d'un mandrin 14 porte-trépan à une extrémité. Le mandrin 14 porte-trépan reçoit un trépan 15. Un tube d'échappement 27 s'étend hors du trépan 15. Le trépan est retenu dans le mandrin 14 par une bague de rete- nue 16. Lorsque le trépan 15 est dans le cylindre, un déplacement longitudinal limité est permis entre le trépan 15 et le mandrin 14. Le cylindre 13 est raccordé, à son extrémité supérieure, à un train de tiges (non représenté). De l'air comprise servant à alimenter le marteau s'écoule de haut en bas dans le train de tiges. Un tube d'alimentation 17 est monté dans le cylindre 13. Le tube d'alimentation 17 s'étend à partir de l'extrémité supérieure du cylindre 13 en direction du mandrin 14 mais se termine juste au-des- sus du trépan 15. L'axe longitudinal central du tube d'alimentation 17 est confondu avec l'axe lon- gitudinal central du cylindre 13. Le tube d'alimen- tation 17 comporte un étranglement formé par un bouchon 18 à passage de plus petit diamètre qui ré- duit la quantité de fluide qui s'écoule dans le tube d'alimentation 17. Une série d'orifices étranglés 21 est formée dans l'extrémité inférieure du tube d'alimentation 17 au-dessous du bouchon 18. Une sé- rie supérieure d'ouvertures 19 et une série infé- rieure d'ouvertures 20 sont formées dans la paroi du tube d'alimentation 17. Chaque série d'ouvertures 19 et 20 comporte quatre ouvertures individuelles répar- ties autour de la circonférence du tube d'alimentation 17. Un piston annulaire 22 est monté coulissant dans le cylindre 13 de façon à pouvoir se déplacer en- tre le trépan 15 et l'extrémité supérieure du cylindre 13. Le piston 22 comporte deux ouvertures formées par des rainures diamétrales espacées 23 et 24 qui s'é- tendent autour de la paroi du piston. Les ouvertures 23 et 24 communiquent respectivement avec un passage longitudinal 25 et avec un passage longitudinal 26 qui assurent leur communication respectivement avec la surface inférieure et avec la surface supérieure du piston 22. Le passage 25 est raccordé à la sur- face de la face d'extrémité de l'extrémité inférieure du piston 22 et le passage 26 est raccordé à la sur- face de la face d'extrémité de l'extrémité supérieure du piston 22. Il est bien entendu que la surface in- férieure et la surface supérieure peuvent être les faces d'extrémité représentées ou peuvent être des surfaces orientées à des angles différents par rap- portE à l'axe central du piston. Après la description ci-dessus des élé- ments structuraux d'un marteau perforateur de rocher construit selon la présente invention, on décrira maintenant le fonctionnement du marteau 10. La fi- gure 1 représente le piston 22 dans sa position basse extrême en contact avec le trépan 15. L'extrémité supérieure du trépan 15 est munie d'une surface for- mant enclume qui est frappée par la surface de mar- teau formée sur la face d'extrémité inférieure du piston 22. La force du coup du marteau est transmise par l'intermédiaire du trépan 15 aux formations ter- restres du fond 12 du trou de sonde, brisant ainsi les formations et prolongeant le trou de sonde dans la terre. Avant que le coup de marteau soit appli- qué au trépan 15, le piston doit être déplacé vers le haut jusqu'à la position représentée sur la figure 2. Lorsque le piston est dans sa position basse extrême, telle que représentée sur la figure 1, l'ouverture diamétrale 23 la plus haute du piston 22 est adja- cente à la série supérieure d'ouvertures 19 formées dans le tube d'alimentation 17. De l'air à haute pression est refoulé dans l'espace hermétique clos for- mé (a) entre la surface inférieure du piston 22 et (b) le trépan 15 et le tube d'échappement 27 pour entraîner le piston 22 vers le haut. L'air emprisonné par le déplacement vers le haut de l'extrémité supérieure du piston 12 est comprimé entre la surface supérieure du piston 22 et la partie supérieure du cylindre 13. Ce- ci assure un effet d'amortissement pour freiner la poursuite du déplacement vers le haut du piston 22. Lorsque le piston est dans sa position haute extrême, telle que représentée sur la figure 2, l'ouverture diamétrale inférieure 24 du piston 22 est adjacente à la série inférieure d'ouvertures 20 formées dans le tube d'alimentation 17.- Ceci éta- blit une communication fluidique avec le volume her- métiquement clos situé au-dessus de l'extrémité supé- rieure du piston 22. L'ouverture diamétrale supé- rieure 23 est obturée par le tube d'alimentation 17. Il en résulte que de l'air à haute pression est admis dans le volume situé au-dessus du piston 22 pour en- tratner le piston 22 vers le bas dans le cylindre 13 et contre le trépan 15, pour produire le coup de mar- teau désiré. Pour arrêter le martèlement, on soulève le train de tiges afin de permettre au trépan 15 de tomber dans le mandrin jusqu'à sa position basse ex- trême, telle que représentée sur la figure 3. Le tré- pan 15 est alors porté par la bague de retenue 16. Il résulte du fait que le trépan est situé à un empla- cement dans le cylindre 13 plus bas que pendant l'o- pération de martèlement, que le piston 22 vient en butée contre le trépan 15 et que l'ouverture diamé- trale supérieure 23 du piston est obturée par le tube d'alimentation 17 pour empêcher tout écoulement d'air dans l!espace situé au-dessous de l'extrémité infé- rieure du piston 22. Le piston 22 reste dans sa po- sition basse extrême sans produire l'action de mar- tèlement précédemment décrite. L'air en circulation a alors la possibilité de traverser le marteau 10. La -partie 28 à plus grand diamètre de l'alésage en- tourant le tube d'alimentation 17 à l'extrémité supé- rieure du piston 22 est située adjacente à la série supérieure d'ouvertures 19 du tube d'alimentation 17. Il en résulte que l'air sortant des ouvertures 19 s'écoule dans l'espace formé au-dessus de l'extrémité supérieure du piston 22, s'écoule vers le bas dans le passage 26, traverse l'ouverture diamétrale inférieure 24 et les orifices étranglés 21 et s'échappe hors du trépan 15. Ainsi, en soulevant le train de tiges et en permettant au trépan 15 de tomber dans le mandrin 14, non seulement on met le marteau hors fonction mais encore on maintient l'écoulement d'air à travers le trépan 15 pour enlever les débris de forage de la région dans laquelle se trouve le trépan 11 au fond 12 du trou de sonde 11. Les orifices étranglés 21 assu- rent l'établissement d'une surpression dans la chambre 29, entre la face d'extrémité supérieure ou surface supérieure du piston 22 et l'extrémité supérieure du cylindre 13. La surpression régnant dans la chambre 29 fournit une force qui maintient le piston 22 dans sa position basse extrême en appui contre le trépan 15. Ceci empêche le phénomène appelé "martèlement en retour" de se produire. Le martèlement en retour avait ten- dance à se produire dans les marteaux perforateurs de rocher de la technique antérieure du fait de l'ab- sence d'une force agissant pour maintenir le piston dans sa position basse extrême. Le piston avant a- lors tendance à "flotter" au voisinage du trépan 15 et à produire une action de martèlement involontaire sur le trépan 15. Ce martèlement en retour avait un effet très nuisible sur les surfaces de l'enclume et du marteau et sur d'autres éléments du marteau. Un avantage supplémentaire qui résulte du maintien d'une surpression dans la chambre 29 est que la matière contenue dans le trou de sonde est empêchée de péné- trer dans l'intérieur de cylindre 13. La surpression régnant dans la chambre 29 empêche que des déblais et débris de forage migrent dans le cylindre à par- tir du trou de sonde. REVENDICATIONS 1) Marteau perforateur de rocher à commande fluidique pour appliquer des coups de marteau à un trépan caractérisé en ce qu'il comporte: un corps de marteau (13, 17) comportant une chambre interne; un piston mobile (22) monté dans la cham- bre de façon à pouvoir s'y déplacer axialement pour appliquer des coups de marteau; des moyens (14) pour raccorder le trépan (15) au corps de marteau de telle sorte que le trépan reçoive les coups de marteau; des passages (19 à 26) formés dans le corps de marteau et dans le piston pour permettre au fluide de déplacer le piston pour qu'il frappe les coups de marteau; et des moyens (19, 28, 29, 26, 24, 21, 27) pour permettre au fluide de traverser le marteau per- forateur de rocher et de maintenir le piston en con- tact avec le trépan. 2) Marteau perforateur de rocher à commande fluidique pour appliquer des coups de marteau à un trépan caractérisé en ce qu'il comprend: un corps de marteau (13, 17) comportant une chambre interne, cette chambre ayant une partie supérieure et une partie inférieure; un piston mobile (22) monté dans la cham- bre de façon à pouvoir se déplacer.axialement entre la partie inférieure et la partie supérieure pour appliquer les coups de marteau; des moyens (14) disposés dans la partie inférieure de la chambre pour raccorder le trépan (15) au corps de marteau et pour permettre au trépan de recevoir les coups de marteau; des passages (19 à 26) formés dans le corps de marteau et dans le piston mobile pour canali- ser alternativement le fluide jusqu'à la partie infé- rieure et jusqu'à la partie supérieure de la chambre, provoquant ainsi le déplacement du piston par le fluide et l'application des coups de marteau; et des moyens (19, 28, 29, 26, 24, 21, 27) pour permettre au fluide de traverser le marteau per- forateur de rocher et pour diriger le fluide jusque dans la partie supérieure (29) de la chambre et main- tenir le piston en contact avec le trépan. 3) Marteau perforateur de rocher à commande fluidique pour appliquer des coups de marteau à un trépan caractérisé en ce qu'il comprend: un corps de marteau (13, 17) comportant une chambre interne, cette chambre ayant une partie supérieure et une partie inférieure; un piston mobile (22) monté dans la chambre de façon à pouvoir se déplacer axialement entre la partie inférieure et la partie supérieure pour appli- quer les coups de marteau, ce piston mobile ayant une première surface exposée dans la partie supérieure (29) de la chambre et une seconde surface exposée dans la partie inférieure de la chambre; des moyens (14) adjacents à la partie infé- rieure de la chambre pour raccorder le trépan (15) au corps de marteau de façon à permettre au trépan de re- cevoir les coups de marteau; des passages (19 à 26) formés dans le corps de marteau et dans le piston mobile pour canaliser le fluide alternativement jusqu'à la partie inférieure de la chambre, ce qui a pour effet que le fluide agit sur la seconde surface et déplace le piston vers le haut, et jusqu'à la partie supérieure (29) de la chambre, ce - qui a pour effet que le fluide agit sur la première surface et déplace le piston vers le bas de façon que V ce dernier frappe les coups de marteau; et des moyens (19, 28, 29, 26, 24, 21, 27) pour permettre au fluide de traverser le marteau perfo-. rateur de rocher (10) et pour diriger le fluide jusque dans la partie supérieure (29) de la chambre, ce qui a pour effet que le fluide agit sur la première surfa- ce et maintient le piston en contact avec le trépan pendant que le fluide s'écoule à travers le marteau perforateur de rocher. 4) Marteau perforateur de rocher à commande fluidique caractérisé en ce qu'il comporte - un corps annulaire (13) ayant une extré- mité supérieure et une extrémité inférieure; un mandrin (14) porte-trépan monté à l'ex- trémité inférieure du corps; un trépan (15) raccordé au mandrin porte- trépan et pénétrant dans le corps, ce trépan étant susceptible d'être déplacé dans le mandrin porte-tré- pan d'une position de forage jusqu'à une position de contournement; un conduit d'alimentation en fluide tubu- laire (17) monté dans le corps et s'étendant à partir de ladite extrémité supérieure en direction du man- drin porte-trépan; une première série d'ouvertures (19) for- mées dans le tube d'alimentation; une seconde série d'ouvertures (20) for- mées dans le tube d'alimentation; un piston (22) monté coulissant dans le corps et positionné autour du tube d'alimentation de façon à pouvoir se déplacer entre le trépan, à l'ex- trémité inférieure du corps, et l'extrémité supérieure du corps pour frapper le trépan, le piston ayant une extrémité supérieure et une extrémité inférieure; un premier passage (25) formé dans le pis- ton et faisant communiquer l'extrémité inférieure du piston avec le tube d'alimentation; un second passage (26) formé dans le pis- ton et faisant communiquer l'extrémité supérieure du piston avec le tube d'alimentation; le premier passage (25) communiquant avec la première série d'ouvertures (19) du tube d'alimen- tation lorsque le piston est dans une disposition en butée contre le trépan pour admettre du fluide dans l'espace formé entre le piston et le trépan de façon à entraîner le piston vers le haut et le second passa- ge (26) communiquant avec la seconde série d'ouver- tures (20) lorsque le piston est dans sa position haute dans le corps pour admettre du fluide entre le piston et l'extrémité supérieure du corps de façon à entraîner le piston vers le bas; et un passage (19, 28, 29, 26, 24, 21, 27) formé dans le tube d'alimentation et dans le corps pour maintenir une surpression entre le piston et l'extrémité supérieure du corps lorsque le trépan est dans la position de contournement'. ) Marteau perforateur de rocher à commande fluidique caractérisé en ce qu'il comporte un corps annulaire (13) ayant une extré- mité supérieure et une extrémité inférieure; un mandrin (14) porte-trépan monté à l'ex- trémité inférieure du corps; un trépan (15) raccordé au mandrin porte- trépan et pénétrant dans le corps, ce trépan étant susceptible d'être déplacé dans le mandrin porte-tré- pan d'une position de forage jusqu'à une position de contournement; un conduit d'alimentation en fluide tubu- laire (17) monté dans le corps et s'étendant à partir de ladite extrémité supérieure en direction du mandrin porte-trépan; une première série d'ouvertures (19) for- mées dans le tube d'alimentation; une seconde série d'ouvertures (20) formées dans le tube d'alimentation; un piston (22) monté coulissant dans le corps et positionné autour du tube d'alimentation de façon à pouvoir se déplacer entre le trépan, à l'extré- mité inférieure du corps, et l'extrémité supérieure du corps pour frapper le trépan, le piston ayant une surface supérieure et une surface inférieure; un premier passage (25) formé dans le pis- ton et faisant communiquer la surface inférieure du piston avec le tube d'alimentation; un second passage (26) formé dans le pis- ton et faisant communiquer la surface supérieure du piston avec le tube d'alimentation; le premier passage (29) communiquant avec la première série d'ouvertures (19) du tube d'ali- mentation lorsque le piston est dans une disposition en butée contre le trépan pour admettre du fluide dans l'espace formé entre le piston et le trépan de façon à entraXner le piston vers le haut et le second passage (26) communiquant avec la seconde série d'ouvertures (20) lorsque le piston est dans sa po- sition haute dans le corps pour admettre du fluide entre le piston et l'extrémité supérieure du corps de façon à entraîner le piston vers le bas; et un passage (19, 28, 29,-26, 24, 21, 27) formé dans le tube d'alimentation et dans le corps pour maintenir une surpression entre le piston et l'extrémité supérieure du corps lorsque le trépan est 35. dans la position de contournement.