Brevet FR2451474A1 — publié le 19801010

La présente invention concerne un moteur hydraulique de forages profonds, disposé à la base, avec passage axial, en particulier en vue du forage de puits de pétrole et d'eau, le couple de rotation étant transmis au foret relié au moteur par 11 énergie du fluide de forage en circulation. Les tourets hydrauliques à rotation, qui sont utilisés en vue du forage de puits d'hydrocarbures, et les moteurs de forage disposés à la base du forage, sont connus. Dans ces dispositifs connus, la turbine de forage est un dispositif usuel dont la vitesse de rotation, le couple de rotation et le rendement, comme danstoutes les machines à fluide, dépendent du débit de fluide et de la charge. Les inconvénients de la turbine de forage résident dans le fait qu'elle est sujette aux défaillances dans le cas d'une surcharge, est sensible aux impuretés, présente une longévité relativement courte et la mise en exploitation et en marche est incommode. Dans le cas d'un moteur électrique de forage disposé à la base, les conditions de chaleur et de pression régnant dans le forage provoquent des problèmes d'isolement ; la vitesse de rotation et le couple de rotation appropriés ne peuvent en général être assurés qu'à l'aide d'un réducteur. L'utilisation d'un moteur électrique disposé au fond est empêchée ou au moins limitée également par les raccordements de câble. On connait des moteurs de forage situés à la base du forage, à déplacement de volume, qui comportent un stator avec une surface d'hélice interne à plusieurs filets, et un rotor avec une surface d'hélice extérieure présentant un nombre de filets différent du stator. Dans ces moteurs hydrauliques de forage connus, un inconvénient est que l'axe du rotor ne colncide pas avec celui de l'enveloppe et durant le fonctionnement l'axe du rotor se déplace le long d'une trajectoire cir- culaire autour de l'axe du stator, et par suite le mouo vement de rotation du rotor ne peut Etre transmis queà l'aide d'un arbre à cardan au forets ou à l'arbre d'entraînement transmettant la rotation.L'arbre à cardan fait un angle avec le rotor ou avec arbre dsentraine- ment, et ainsi la force de friction entre le stator et le rotor, par suite de la composante radiale résultant de l'obliquité de l'arbre à cardan de la force de réaction accroit la force provenant de la pression hydraulique s'exerçant sur le rotor, Si bien que le rendement et la longévité du moteur de forage sont sensiblement réduits Le mécanisme à cardan peut autre incorporé à un moteur de forage de longueur déterminée seulement au prix de la partie de moteur utile engendrant le couple de rotation, et la section utile en vue du passage de fluide vehicuz lant l'énergie délivrant le couple de rotation peut en général représenter seulement une faible partie de la section d'outil. A cause de l'excentricité de l'axe du rotor, des forces dates àla masse importante apparaissent à vitesses élevées, qui chargent défavorablement les surfaces du stator et du rotor provoquent des vibrations et conduisent à la rupture par fatigue du tube de forage0 La force de friction accrue réduit également le couple de rotation utilisable en vue du forage. Selon une autre solution connue, le rotor (arbre) approprié en vue de la rotation de ltoutil de forage tourne autour de son axe, c"est-à-dire qu'aucune vibration n(apparaît, mais le rotor nBest pas concentrique à ltenveloppe-(boitier). Des pignons servent à la synchronisation ou à la transmission des rotations, pignons qui ne conviennent pas lors de forages principalement à cause de l'encombrement ; la transmission de la rotation du stator tournant (appelé chambre rotative) ou de l'arbre dans l'axe de l'enveloppe extérieure et le maintien du courant d'injection, nécessaire également dans le cas d'un coincement, ne sont pas résolus. La présente invention a pour objet de supprimer les inconvénients mentionnés des solutions connues, et de réaliser un moteur de forage disposé à la base, à l'aide duquel la rentabilité, l'efficacité et la puissance d'un forage, en particulier d'un forage à grande profondeur, peuvent être accrues, le montage, la mise en service et le maniement simplifiés, la sécurité de fonctionnement accrue, un fonctionnement exempt de vibrations assuré et le rendement de l'exploitation toute entière amélioré. L'avantage de l'invention réside dans le fait que le principe volumétrique est totalement mis en valeur, dans lequel pour un couple de rotation élevé, un rendement satisfaisant et une réalisation de la chambre rotative fonctionnant sans vibrations du moteur de forage selon l'invention, par suite de la compensation statique et dynamique des pièces tournantes, la vitesse de rotation et la puissance de l'outil de forage est proportionnelle à la vitesse ou à la pression du fluide le traversant, et par conséquent le moteur de forage selon l'invention peut être utilisé rentablement par exemple en vue du forage de puits de pétrole.L'invention peut notre utilisée de manière particulièrement avantageuse pour des forages à très grande profondeur et dirigés obliquement, car le moteur de forage selon l'invention permet le fonctionnement de l'outil de forage opérant dans des forages rectilignes profonds ou éventuellement obliques, avec une perte d'énergie faible et un couple de rotation élevé. Le dispositif selon l'invention se compose drune chambre parallèle à la direction de l'écoulement et comportant une surface d'hélice interne de pas 21, et dtun arbre présentant une surface hélice externe de pas (zO = zk + 1) ou (zo = zk - 1), se trouvant à lin- térieur de la chambre avec un sens d'enroulement cotnci- dant avec celui de la chambre. Le profil transversal de l'arbre ou de la chambre constitue une orthocyclorde, une cyclotde raccourcie ou une cyclolde déployée.Dans le cas d'un arbre à profil transversal cycloïdal, le profil transversal de la chambre se trouvant dans le même plan, et dans le cas d'une chambre à profil transversal cycloldal, le profil transversal de l'arbre se trouvant dans le mdme plan, est délimité par la courbe enveloppe extérieure ou intérieure de la surface balayée par la cycloïde durant le mouvement relatif décrit ci-après. L'axe de l'arbre stétend parallèlement à un écartement "e" à l'axe de la chambre, mais dans le cas de la forme de réalisation de la chambre rotative du moteur de forage selon l'invention, afin d'éviter les forces dûes à la masse et les vibrations, l'axe de l'arbre est constamment concentrique à l'enveloppe extérieure cylindrique.Le pas de filetage ho de l'arbre est Zo/zk fois le pas de filetage hk de la chambre ; chaque profil transversal de marbre s'adapte sans Jeu ou avec un Jeu minimal au profil transversal de la chambre se trouvant dans le mê- me plan, et le gabarit de la chambre par suite du pas variable le long de l'axe sépare des parties de surface variables (augmentant ou diminuant constamment), si bien qu'entre les filets de la chambre et de l'arbre, des volumes partiels clos de longueur et de forme identiques subsistent pour le fluide (en général un fluide balayage ou un gaz) entrainant le dispositif.Ces cavités partielles se répètent itérativement le long de l'axe, mais séparées les unes des autres, à des distances de 1 = h 2 Zk = ho/zo, de même phase ; le c8té d'admission est séparé au moins de façon simple du côté de sortie, de manière à garantir qu'à l'état de repos du dispositif (ou par exemple dans le cas d'un coincement) le fluide ne peut pas circuler sans cession d'énergie. Dans la forme de réalisation de la chambre rotative du dispositif selon l'invention, la chambre est disposée dans le boitier résistant à la pression avec une excentricité e, et l'arbre se trouve dans l'axe du boîtier résistant à la pression. Dans la forme de réalisation à chambre fixe, qui peut également être avantageusement entraînée à vitesse de rotation faible, l'enveloppe et la chambre sont concentriques ; l'arbre se trouve ici excentré d'une distance "e" de l'axe du stator. Dans la forme de réalisation à chambre rotative, l'arbre est relié directement au train de tiges ou à l'arbre dtentrainement enserrant l'outil de forage à l'aide d'un accouplement connu. Dans la forme de réalisation à chambre fixe, un arbre à cardan doit être introduit entre arbre excentrique et l'arbre d'entraînement creux enserrant l'outil de forage, disposé concentriquement. Dans la forme de réalisation à chambre fixe, l'arbre n'est pas supporté et le sens de son excentricité est déterminé par la position angulaire instantanée de l'arbre. Dans la forme de réalisation à chambre rotative du dispositif selon l'invention, la chambre tourne avec une vitesse de rotation de nk et l'arbre avec une vitesse de rotation de nO = (zv zO)* nk en charge de l'énergie de pression du fluide en circulation, correspondant à la quantité de fluide comprimé et à la liaison fixe des profils ou de la modification des profils, de telle sorte que l'élément de volume déplaçant le fluide avec une vitesse de V = .ho = nO.hO, sans variations de formes et de volumes, progresse axialement sans rebondissement vers le c8té sortie à basse pression. Dans la forme de réalisation à chambre fixe du dispositif selon l'invention, l'arbre guidé par la surface dthélice interne de la chambre fixe se déplace seulement sous l'action du fluide en circulation. Le mouvement de l'axe correspond par comparaison avec la chambre au mouvement relatif de l'arbre dans le cas de la forme de réalisation à chambre rotative, mais ici l'arbre décrit, du fait que la chambre est fixe, un mouvement planétaire : il tourne autour de son propre axe et tourne autour de l'axe de la chambre et de l'enveloppe. Les volumes élémentaires apparaissant entre les filets de la chambre et de l'arbre se déplacent en tournant vers le coté sortie0 La forme de réalisation à chambre rotative du dispositif selon l'invention ne possède aucun constituant oscillant.La chambre et l'arbre à filetages multiples tournent, par suite de la symétrie des profils, autour de l'axe de gravité, et la chambre et l'arbre à filetage unique, en particulier dans le cas de grandes vitesses de rotation, peuvent être compensés statiquement et dynamiquement par des amincissements ou des évidements disposés de façon appropriée. L'invention est expliquée ci-après à titre dtexemple en regard des dessins annexés. La Fig. 1 représente en coupe longitudinale une forme de réalisation à chambre rotative du dispositif selon l'invention, avec une chambre rotative présentant une surface d'hélice à filetage unique (avec un profil épicycloidal simple) et avec un arbre à deux filetages, à profil elliptique. La Fig. 2 représente les coupes A-A et B-B (en traits minces) selon la Fig. 1. La Fig. 3 représente, en coupe longitudinale, la forme de réalisation à chambre fixe du dispositif selon leinvention avec une chambre présentant une surface d'hélice à troisfiletages (à profil épicylcoldal triple) et avec un arbre à quatre filetages à profil hypocycloidal quadruple. La Fig. 4 est la coupe C-C selon la Fig. 3. La Fig. 1 représente un exemple ds forme de réalisation du dispositif selon l'invention, qui peut étre utilisée avantageusement dans des conditions deux ploitations extrêmes. Une douille excentrique 2 est fixée dans l'enveloppe 1 munie aux deux extrémités de filets d'étranglement. La douille excentrique 2 constitue le palier radial de la chambre 3, qui est réalisée sous la forme d'une chambre rotative avec une surface d'hélice interne à filetage unique0 La douille excentrique 2 est munie, en vue du centrage de 1 taxe de symétrie et en vue de garantir l'écoulement secondaire du fluide, de rétrécissements des évidements et, en vue de la lubrification, de rainures en spirale et de perçages radiaux sur la surface interne.La chambre 3 se trouve axialement entre le palier inférieur 4 et la transition 5. La transition 5 est munie d'un ou de plusieurs perçages qui conduit ou conduisent dans les passages latéraux de la douille excentrique 2 ; la position angulaire est assurée par le goujon dassemblage 6. Le centrage du palier inférieur 4 est assuré par le siège de palier excentrique qui se trouve dans le plan supérieur de la pièce intermédiaire 7 montée avec ajustement lâche dans l'enveloppe et la direction appropriée de l'excentricité est assurée par le goujon d'assemblage 8. La cavité interne asymétrique de la pièce intermédiaire 7, qui sert au passage du fluide de travail, est reliée par l'intermédiaire d'un ou de plusieurs perçages aux passages latéraux de la douille excentrique 2. Le ou les perçages, qui est ou sont pratiqués dans la transition 5, et conduit ou conduisent dans les passages secondaires de la douille excentrique 2, les passages secondaires de la douille excentrique 2 et le ou les per çages, qui conduit ou conduisent dans la cavité interne de la pièce intermédiaire 7, forment un système de tubes de dérivation. Le système de tubes de dérivation assure le maintien d'un écoulement de balayage réduit dans le cas d'un coincement de l'outil de forage. La force axiale engendrée par la pression hydraulique durant le fonctionnement et agissant sur la chambre 3, est transmise, par l'intermédiaire du palier inférieur 4 et de la pièce intermédiaire 7, au plan supérieur du corps de palier 9, qui est raccordé à l'extrémité inférieure présentant un filetage se rétrécissant de l'enveloppe 1. L'arbre d'entraînement 11, qui transmet la rotation de l'arbre 10 présentant une surface d'hélice à deux filetages, à l'outil de forage, est noyé dans le corps de palier 9. Marbre d'entraînement 11 est soutenu radialement par une douille 12 enfoncée dans le corps de palier 9, et axialement par un palier inférieur 13 et un autre palier inférieur 15 fixé par un écrou palier 14. Le poids de l'arbre 10 et la force, qui est engendrée pendant le fonctionnement par la pression hydraulique et s'exerce sur ltarbre, chargent le palier inférieur 15 par ltin- termédiaire dtun accouplement 16 de marbre dentraine- ment 11 et de l'écrou-palier 14, et la charge axiale de l'outil de forage est transmise par lintermédiaire du palier inférieur 13 et de l'arbre d'entraînement 11. Le fluide de balayage parvient, en provenance de la cavité asymétrique de la pièce intermédiaire 7, par l'intermédiaire de l'ouverture ou des ouvertures pratiquées dans l'enveloppe de l'arbre d'entraînement 11 et par l'intermédiaire de l'alésage central se trouvant dirigé axialement, aux buses de l'outil de forage-ou au pied du trou. Le pivot supérieur de l'arbre 10 est disposé dans un palier monté avec ajustement lâche dans l'enveloppe 1, dont la bague extérieure s'adaptant à l'enveloppe 1 et le moyeu formant le palier 17 de l'arbre sont réunis à l'aide de rayons aérodynamiques. Le palier d'arbre 17 est bloqué en rotation par le goujon d'assemblage 18. Une coulisse 20 qui est maintenue en position supérieure par un ressort hélicoldal 19, vient durant le fonctionnement sous l'action de la différence de pression, à l'encontre de la force du ressort, dans la position inférieure et obture la chambre annulaire qui conduit aux per çages radiaux pratiqués dans l'enveloppe 1. Lorsque l'écoulement du fluide cesse, la coulisse 20 vient en position supérieure et le fluide de balayage peut traverser librement le filtre 21 et les perçages qui sont pratiqués sur la bague du palier d'arbre 17. La coulisse 20 garantit ainsi durant le fonctionnement la surpression nécessaire à la rotation de l'arbre, lors de la mise en place, la charge du dispositif et lors de l'élévation du train de tiges de forage, l'introduction dans le trou du fluide de balayage se trouvant dans le tube de forage. Sur la Fig. 3 est représentée une forme de réalisation avantageuse à chambre fixe du dispositif selon l'invention, un couple de rotation élevé étant assuré également en plus d'une vitesse de rotation faible. Une chambre 23 est adaptée de façon fixe dans l'en- veloppe 22. La chambre 23 est réalisée sous la forme dune chambre fixe avec une surface d'hélice interne. Le profil transversal de la chambre 23 constitue une épicycloide triple. L'arbre 24 muni d'une surface d'hélice extérieure s'adapte à la surface d'hélice de la chambre 23. L'arbre 24 présente un profil hypocycloldal quadruple, qui dans le même plan de la chambre 23, durant le mouvement relatif, est limité par la courbe enveloppe interne de la surface renforcée de chambre. Le couple de rotation engendré par la pression hydraulique et la force axiale sont transmis à l'outil de forage par l'arbre à cardan 25, muni d'un tube de protection en élastomère, par l'intermédiaire de l'arbre d'entraînement 11 tournant dans le corps de palier 9.Dans cette forme de réalisation, la soupape 27 garantit l'écoulement secondaire du fluide de balayage, par l'intermédiaire du perçage central de l'arbre 24, la soupape 27 étant supportée par un ressort hélicoïdal 26, et durant le fonctionnement, sous l'action de la différence de pression, à l'encontre de la force du ressort, vient en position inférieure. La ou les ouvertures radiales de passage de grande section du corps de soupape est ou sont recouverte(s) et seuls demeure(nt) en position ouverte le ou les perçages radiaux de faible section du corps de soupape (afin de maintenir un écoulement de balayage réduit même dans le cas d'un coincement).L'écoulement secondaire du fluide de balayage sort par le ou les perçages radiaux de l'ap- pui inférieur de l'arbre 24, et parvient-au-dessous de l'arbre à cardan 25 par la ou les ouvertures de l'envelop- pe de l'arbre dtentrainement 31 et à travers l'alésage central axial, aux buses de l'outil de forage ou au pied du trou. Les avantages du moteur hydraulique de forage selon ltinvention résident dans le fait que les exigences technologiques du forage rotatif développé sont entièrement satisfaites : le moteur de forage disposé à la base du trou proposé opère avec un couple de rotation élevé, un rendement satisfaisant et une longévité importante, l'énergie du fluide de balayage étant utilisée selon le principe du déplacement de volume. L'arbre à cardan uti- lisé dans le cas de moteurs de forage disposés à la base du trou, travaillant selon le principe du déplacement de volume, connus, est superflu, car dans ce cas l'arbre et ltoutiI sont concentriques. Dans le cas d'un blocage, un fluide de balayage réduit est automatiquement assuré, afin dBempecher le dépôt du produit foré et jarret de l'outil. Les éléments de limitation d'espace s'adaptent exactement, sans recouvrement, leur géométrie est déterminée de façon précise, et par conséquent, la perte par friction est minimale. Le moteur de forage n'est pas sensible aux salissures et présente une certaine aptitude d'autonettoyage ; les impuretés à grains fins circulent sans entraves à travers le moteur. a mise en service et la mise en marche du moteur de forage est simple et le moteur peut autre utilisé avantageusement non seulement dans les forages rectilignes, mais également dans des forages obliques. REVENDICATIONS 1 - Moteur hydraulique de forage pour forages profonds, à passage axial, en particulier en vue du forage de puits de pétrole et dteau, qui comporte une chambre dont l'axe est parallèle à la direction de ltécoule- ment de fluide, la chambre présentant une surface interne d'hélice, et dans la chambre est disposé un arbre pré- sentant une surface extérieure dthélice, caractérisé en ce que le profil transversal de l'arbre (10,24) ou de la chambre (3,23) est une orthocyclolde, une cyclolde raccourcie ou une cycloide déployée, l'axe de l'arbre (10, 24) est excentré-par rapport à l'axe de la chambre (3,23), et un des constituants principaux du moteur de forage, qui est éventuellement l'arbre (10) ou la chambre (23), est disposé concentriquement à l'enveloppe extérieure (22) du dispositif. 2 - Moteur de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (3) est réalisée sous la forme d'une chambre rotative, qui repose sur un palier inférieur (4), et l'arbre (10) est fixé par rapport à l'arbre d'entraînement (lui) du moteur de forage, de préférence par l'intermédiaire d'un accouplement (16). 3 - Moteur de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (23) est réalisée sous la forme d'une chambre fixe, et marbre (24) s'y trou vant est relié, par l'intermédiaire d'un arbre à cardan (25), à l'arbre d'entraînement (11) du moteur de forage. 4 - Moteur de forage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface interne de la chambre (3) est réalisée sous la forme d'une surface d'hélice simple à profil épicycloidal et l'arbre (10) est réalisé avec un profil elliptique à deux filetages. 5 - Moteur de forage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la surface interne de la chambre (23) est réalisée sous la forme d'une surface d'hélice à trois filetages à profil épicycloidal triple, et l'arbre (24) est réalisé sous la forme d'un arbre à quatre filetages à profil hypocycloidal quadruple.