Brevet FR2452611A1 — publié le 19801024

La présente invention concerne les mécanismes pour le forage des puits et a notamment pour objet un moteur d'attaque hélicoSdal à filets multiples. L'invention peut être utilisée avec le plus de succès dans les moteurs d'attaque hélicoldaux hydrauliques pour forer les puits de pétrole de gaz et d'exploration géologique. Il existe des moteurs d'attaque hélicoSdaux pour forer les puits, dont les organes de travail se présentent sous la forme d'un mécanisme planétaire helicoidal à filets multiples. D'une façon plus concrète, ce mécanisme est réalisé sous la forme d'un stator et d'un rotor. Le stator est un corps dont la surface interne est munie d'une garniture élastique à filetage intérieur. Le stator abrite un rotor qui y est monté d'une façon excentrique et dont la surface externe est elle aussi hélicoidale. Le rotor et le stator forment un couple cinématique en contact permanent, analogue à un couple denté à engrenage interne, et forment des cavités fermées. L'axe du rotor est décalé par rapport à l'axe du stator dtune valeur d'excentricité "e". Le nombre de dents des surfaces hélicoSdales du stator et du rotor correspond au nombre de filets. Dans le mécanisme planétaire hélicoSdal, le nombre de dents du stator est supérieur d'une dent à celui du rotor. Le rapport des pas du stator et du rotor est proportionnel au rapport des nombres de leurs dents. Le profil de la section transversale des organes de travail du mécanisme planétaire hélicoïdal à filets multiples est conforme au principe de l'engrenage cyclordal. En section transversale, le profil du stator se présente sous forme de tronçons de cycloïdes alternant avec des arcs de circonférence. Le profil de la section transversale du rotor est une enveloppe du profil du stator au roulement de la circonférence initiale maximale du rotor, choisie sous condition dtun contact permanent des surfaces hélicordales du rotor et du stator à l'intérieur de la circonférence de départ donnée du stator. Les paramètres géométriques des organes de travail des moteurs hélicoSdaux à filets multiples sont partiellement décrits dans le brevet des ELJA n03822972 du 20 Novembre 1972, qui donne les rapports géométriques optimaux des organes de travail en section transversale. Dans les moteurs hélicoldaux, la forme spatiale des surfaces hélicordales du rotor et du stator est déterminée par un paramètre qui est le rapport des pas des surfaces hélicoIdales du stator et du rotor à leuo diamètres moyens respectifs. Dans les moteurs d'attaque hélicoSdaux connus, ce paramètre a une valeur de Ct de 4 à 4,6. L'inconvénient des moteurs ayant cette valeur de paramètre réside dans le manque de stabilite des propriétés de démarrage du moteur dûe à un autofreinage éventuel des organes de travail du moteur. L'invention vise donc un moteur d'attaque hélicotdal à angle optimal d'inclinaison de hélice, qui supprimerait l'autoBreinage du moteur à tous les régimes de travail, les fuites depuis les organes de travail n'augmentant qu'insensiblement. Ce problème est résolu en ce que le moteur hélicoïdal à filets multiples, du type comportant un stator à surface interne hélicoIdale et un rotor à surface externe helicoSdale placé à l'intérieur dudit stator d'une façon excentrique par rapport à ce dernier, lests rotor et stator formant un couple cinématique en contact permanent sous forme d'un couple denté à engrenage interne, le nombre de dents du stator étant supérieur d'une dent à celui du rotor et le rapport des pas des spires du stator et du rotor étant directement proportionnel au rapport correspondant de leurs nombres de dents, est caractérisé, suivant l'invention, en ce que le rapport des pas des surfaces hélicotdales du stator et du rotor à leurs diamètres moyens respectifs se trouve sensiblement entre 5,5 et 12. Le moteur hélicoïdal à filets multiples dont les paramètres géométriques des organes de travail correspondent à ceux indiqués ci-dessus permet d'éviter l'autofreinage à tous les régimes de travail du moteur, en particulier lors du démarrage, ce qui élève la stabilité de fonctionnement et la fiabilité du moteur. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaRtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif avec référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels:: - la figure 1 représente une vue d'ensemble, en coupe longitudinale, d'un moteur d'attaque hélicoïdal à filets multiples, réalisé selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe transversale suivant II-II de la figure 1 - la figure 3 est une vue développée des organes de travail du moteur - la figure 4 représente les courbes de variation du moment M développé par le moteur et des fuites du liquide q des organes de travail en fonction du paramètre Ct La figure 1 représente un mode de réalisation du moteur hélicoïdal hydraulique proposé pour le forage de puits.On y voit un exemple de construction du moteur, dans lequel celui-ci mis en rotation par un fluide sous pression : eau, boue ou autre liquide Le type de liquide sous pression est choisi en fonction des conditions géologiques et techniques concrètes du forage. Le moteur hélrcoSdal comporte un corps I sur lequel est fixe rigidement une garniture élastique 2. En général, la garniture 2 est fabriquée en caoutchouc, mais on peut aussi utiliser tout autre matériau élastique. La surface interne de la garniture 2 présente wl filetage elfcofdal à filets multiples. Le nombre de filets du filetage correspond au nombre de dents Z1 de la surface hélicoidale du sator. Dans l'exemple concret considéré Z1=10, mais il peut varier dans de larges limites en fonction des exigences techniques auxquelles doit satisfaire le moteur. Le corps 1 et sa garniture 2 forment, selon l'invention, le stator 3 dl moteur hélicoSdal. A l'intérieur du stator 3 se trouve un rotor 4 réalisé, en général, en métal. La. surface externe du rotor est réalisée hélicoSdale avec un nombre de dents 72 = 9. Le rotor 4 est placé dans le stator 3 avec une excentricité "e" (figure 2), le rapport du pas T (figure 3) de la surface hélicoldale du stator au pas t de la surface hélicoidale du rotor étant proportionnel au rapport de leurs nombres de dents respectifs T/t = Z1/z2 Le stator 3 et le rotor 4 (figure 2) forment un couple cinématique en contact permanent, analogue à un couple denté à engrenage interne dont la différence des nombres de dents est égale à 1.Les dents hélicordales du rotor 4 et du stator 5 sont en contact en formant des chambres qui se ferment suivant la longueur du pas T. La figure 3 est une vue développée des surfaces latérales du stator et du rotor sur la longueur du pas T du stator, de diamètres moyens respectifs D1 et D2. Les lignes continues indiquent les lignes de contact entre le stator et le rotor, alors que les intervalles entre ces lignes sont des chambres remplies de fluide. Sur la figure 2 est représenté le profil de section transversale du mécanisme planétaire dans lequel le profil de la section transversale du stator 3 se présente comme une alternance successive de tronçons en cyclorde décrivant les dents du stator 3 et des tronçons en arcs de circonférence de rayon ''rl' décrivant les creux entre les dents en section transversale du stator. Le cycloSde servant de base pour la formation du profil du stator 3 est obtenu par roulement sans glissement sur la circonférence de départ donnée du stator 3 d'une autre circonférence conventionnelle, dont le diamètre est choisi n fonction de la valeur "e" de l'excentricité. La circonférence de départ donnée du stator dépend des conditions présumées d'exploitation du mécanisme et est déterminée par le diamètre maximal admissible dans ces conditions. Le profil de la section transversale du rotor 4 est conjugué au profil du stator 3 et est formé par l'enveloppe du profil de départ du stator 3 lors du roulement de la circonférence initiale du rotor 4 sur la circonférence initiale du stator 3. Le rotor 4 est relié par une double charnière 5 à un arbre de sortie 6 (figure 1) dont le bout porte l'outil de forage (n1 est pas montré sur le dessin) du moteur d'attaque. L'arbre de sortie 6 est monté dans le corps 7 sur des paliers d'appui 8. Des charges axiales durant le fonctionnement du moteur d'attaque sont supportées dans le corps 7 par des paliers de butée 9. Le moteur d'attaque fonctionne de la façon suivante. Une pompe hydraulique refoule par les tubes le liquide sous pression dans la cavité A du moteur, où s'établit cette même pression. La cavité A est appelée cavité haute pression. Les dents helica & esdurflxr4etdusbdDr3 satencoFxteBreeMes, en formant des chambres sur la longueur du pas T de la surface hélicoidale du stator 3.Une partie des chambres se trouvedanscecas en communication avec la cavité A haute pression, alors que d'autres chambres le sont avec la cavité B basse pression. C'est pourquoi, dans chaque section transversale du mécanisme, existe une force non équilibrée et, par conséquent, un couple moteur. Sous l'action de ces forces apparaît une déformation radiale de la garniture élastique 2 du stator 3, et le rotor 4 se déplace perpendiculairement à son axe et réalise ensuite un mouvement planétaire en roulant sur les dents du stator 3 (dans le sens des aiguilles d'une montre sur la figure 2). Le rotor 4, par l'intermédiaire de la double charnière 5, transmet la rotation à l'arbre de sortie 6 et, par conséquent, à l'outil de forage du moteur d'attaque, fi sur son extrémité. Comme il ressort d'une analyse théorique et de travaux expérimentaux, les caractéristiques de démarrage et la fiabilité du moteur hélicoïdal sont essentiellement dues au paramètre Ct. Le paramètre Ct est le rapport des pas des surfaces hélicoldales du stator (T) et du rotor (t) à leurs diamètres moyens respectifs D1 et D2. Si l'on considère les organes de service du moteur comme une transmision "vis-écrou", alors la dépendance entre le moment de rotation théorique M du moteur et la force axiale G agissant sur le rotor a la forme suivante GDtg (d - ss) M = ---------------------- ; 2 où D est le diamètre moyen de la transmission "vis-écrou" d est l'angle d'inclinaison de l'hélice 9 est l'angle de frottement, égal à arc tg f f est le coefficient de frottement du couple "rotor-stator". Dans certaines conditions, dans le moteur d'attaque hélicoidal, le coefficient de frottement de repos f peut prendre des valeurs proches de l'unité et même plus, alors que l'angle de frottement ss est proche, dans ce cas, des valeurs de l'angle cl. il est donc possible que se créent des régimes de frottement où la valeur (&alpha; - ss) # 0 et où le mécanisme devient le siège du phénomène d'autofreinage, ce qui ne permet pas de mettre en marche le moteur. Cet inconvénient est supprimé dans le moteur d'attaque hélicordal proposé, dont les organes de travail se présentent sous la forme d'un mécanisme planétaire à pas dthélice multiples, le rapport entre le pas t de la surface hélicoldale et le diamètre moyen D se trouvant sensiblement dans la plage Ct=5,5 à 12. Pour les organes opératoires à paramètres Ct=5,5 à 12, l'angle d'inclinaison de l'hélice C a une valeur entre 62 et 750, ce qui interdit l'autofreinage dans le mécanisme. La liaison des paramètres géométriques des organes de service fait l'objet de la figure 3. La nature physique di phénomène d'-autofreinage apparatssant dans les moteurs hélicodaux est expliquée par la figure 4, où l'on montre la variation du moment développé par le moteur en fonction du paramètre Ct la variation de la valeur relative des fuites. Sur la figure 4, l'axe des ordonnées correspond à deux grandeurs : moment de rotation M développé par le moteur en pourcentage par rapport au moment développé par le moteur quand C t = 12, et la valeur relative des fuites q, alors qu'on considère comme étant de 100% les fuites du moteur à C t = 4,6. Sur l'axe des abscisses sont portées les valeurs du paramètre sans dimension C t. La courbe 10 montre comment dépend de Ct le moment développé par le moteur hélicoSdal dans le cas d'un coefficient de frottement maxime alors que b courbe Il représente la variation en fonction de Ct du moment développé par le moteur dans le cas d'un coefficient de frottement minimal. La courbe 12 montre la variation des fuites dans les organes opératoires des moteurs en fonction du paramètre Ct. Comme on voit sur la figure 4, dans les moteurs caractérisés par un paramètre Ct(5,5,dans le cas d'un coefficient de frottement maximal f max (courbe 10), les pertes dues au frottement peuvent atteindre une telle valeur que le moment développé se rapproche de zéro et on assiste à un phénomène d'autofreinage. Lorsque le coefficient de frottement est minimal (courbe 11), l'autofreinage a lieu dans les mécanismes dont le paramètre Ct 2. Donc, afin d'assurer un bon fonctionnement du moteur, il faut que le paramètre Ct ne soit pas inférieur à 5,5. Cette valeur est la limite inférieure du paramètre Ct. La limite supérieure du paramètre Ct est définie par la valeur des fuites à travers les organes de travail.Comme on le voit sur la figure 4 (courbei2), la valeur des fuites commence à crotte rapidement à partir de Ct > 12. La plage de variation proposée du paramètre Ct assure une mise en marche stable et une haute fiabilité de fonctionnement du moteur. Un autre avantage du moteur proposé réside dans le fait que ltaccroissement de la valeur du paramètre tous les autres paramètres géométriques des organes de travail restant les mêmes , entrasse une réduction de la vitesse de rotation de l'arbre de sortie, ce qui, à son tour, augmente le creusement par passe de ltoutil. Ainsi, la présente invention permet d'élever sensiblement la fiabilité,d'améliorer les caractéristiques de mise en marche du moteur et d'améliorer ses caractéristiques de sortie. L'effet économique de l'invention, résulte de l'économie de temps pour les opérations "montée-descente" en cas de défaillances du moteur et de l'augmentation du métrage foré total. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné 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-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en ouvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. R E V E N D I C A T I O N Moteur planétaire hélicoidal à filets multiples, du type comportant un stator à surface interne hélicoidale et un rotor à surface externe hélicoïdale placé d'une façon excentrique par rapport au stator, lesdits rotor et stator formant un couple cinématique en contact permanent sous forme d'un couple denté à engrenage interne, le nombre de dents du stator étant supérieur d'une dent à celui du rotor et le rapport des pas de filets du stator et du ro- tor étant proportionnel au rapport de leurs nombres de dents, respectifs, caractérisé en ce que le rapport des pas respectifs des surfaces hélicoidales du stator et du rotor à leurs diamètres moyens respectifs se trouve sensiblement entre 5,5 et 12.