Brevet FR2463256A1 — publié le 19810220

1. 2463256 L'invention concerne d'une manière générale les outils de forage de puits et des procédés d'utilisation de ces outils. L'invention concerne plus particulièrement des perfectionnements apportés à des outils et des procédés de ce type dans lesquels un arbre, auquel est suspendu un trépan, est supporté de manière à pouvoir tourner à l'intérieur d'une enveloppe elle-même suspendue à un train de tiges de forage a l'intérieur d'un sondage. Un moteur est disposé entre l'enve- loppe et l'arbre afin de faire tourner ce dernier et, par conséquent, le trépan par rapport à l'enveloppe. Des outils de ce type permettent de faire tourner le trépan sans qu'il soit nécessaire de transmettre une rota- tion à ce dernier par l'intermédiaire du train de tiges qui peut avoir plusieurs milliers de mètres de longueur. Cepen- dant, lors du forage d'un sondage au moyen d'un outil 'de ce type, il existe de nombreux cas dans lesquels l'opérateur peut souhaiter faire tourner le trépan plus lentement, mais avec un couple supérieur à celui pouvant être obtenu au moyen de moteurs de fond. Par exemple, cette possibilité peut être utile pour dégager un trépan coincé ou pour aléser un sondage lorsque le trépan y pénètre pour la première fois. De plus, un opérateur peut souhaiter faire tourner le trépan lentement afin d'empêcher sa détérioration dans le cas o des déchets se trouvent à l'intérieur du sondage ou dans le cas o le trépan commence une opération de fraisage. Des outils de forage tels que des trépans à turbine hydraulique, entraînés par circulation du fluide de forage dans ces outils, sont particulièrement mal adaptés à l'exécution de ces opérations supplémentaires, car l'arbre n'est pas relié directement à l'enveloppe ou au carter. Par conséquent, ils sont incapables de donner une indication précise de la vitesse de rotation du trépan et ils offrent rarement à l'opérateur la possibilité de commande dont il a besoin pour exécuter de telles opérations de manière satis- faisante. L'invention concerne un outil de forage du type pouvant être commandé sélectivement afin de faire tourner le trépan à de faibles vitesses et sous un couple élevé. 2. L'outil selon l'invention peut être commandé uniquement par manoeuvre du train de tiges de forage à la surface, et plus particulièrement d'une manière automatique en réponse à l'application d'un couple au train de tiges et, par conséquent, à l'enveloppe de l'outil. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'un trépan à turbine hydraulique comportant un embrayage et cons- tituant une première forme de réalisation de l'invention; - les figures 2 et 3 sont des vues partielles en perspective, à échelle agrandie, d'un détail du trépan à turbine hydraulique de la figure 1, l'enveloppe étant repré- sentée avec coupe partielle afin de montrer des détails du dispositif d'embrayage, la figure 2 montrant le dispositif d'embrayage en position de dégagement pendant la rotation de l'arbre sous l'action du moteur du trépan à turbine hydrau- lique, et la figure 3 montrant le dispositif d'embrayage en position de dégagement pendant la rotation de l'arbre au moyen de l'enveloppe; et - - les figures 4 et 5 sont des coupes transver- sales du dispositif d'embrayage d'une seconde forme de réali- sation de l'invention, faisant partie d'un trépan hydraulique à turbine, du type montré sur la figure 1, la figure 4 montrant le dispositif d'embrayage en position de dégagement lorsque l'arbre est mis en rotation par le moteur du trépan et la figure 5 montrant ce dispositif en position d'enga- gement lorsque l'enveloppe est mise en rotation pour entra - ner l'arbre. Comme représenté en détail sur les figures préci- tées o les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments, l'outil à turbine hydraulique, représenté globale- ment en 10 sur la figure 1 comprend une enveloppe ou un carter 11 dont une extrémité supérieure peut être reliée à l'extrémité inférieure d'un train de tiges de forage (non représenté), et un arbre 12 qui est monté de manière à pouvoir tourner à l'intérieur de l'enveloppe au moyen de paliers 14 à billes portés par l'enveloppe entre ses extré- mités supérieure et inférieure. Un trépan 13 est relié à l'extrémité inférieure de cet arbre, au-dessous de l'extré- mité inférieure de l'enveloppe. L'extrémité inférieure de l'arbre présente un alésage 15 qui communique par son extrémité inférieure avec l'alésage traversant le trépan 13 et dont l'extrémité supé- rieure communique par des orifices 15A avec l'extrémité supé- rieure d'un espace annulaire 16 s'étendant au-dessus de l'extrémité supérieure de l'arbre. Le trépan à turbine hydraulique peut être élevé et abaissé à l'intérieur du sondage au moyen du train de tiges de forage et, pendant les opérations de forage au cours desquelles le trépan 13 se trouve à l'intérieur du sondage, un fluide de forage peut être mis en circulation vers le bas à l'intérieur du train de tiges et du trépan à turbine afin de sortir par l'extrémité inférieure de ce trépan, puis de remonter dans l'espace annulaire compris entre le trépan et le train de tiges et le sondage. Une rotation est communiquée à l'arbre et, par conséquent, au trépan pendant les opérations normales de forage au moyen d'une turbine se trouvant à l'intérieur de l'extrémité supérieure de l'espace annulaire 16 et comprenant des stators 17 fixés à la surface intérieure de l'enveloppe et des rotors 18 fixés à la surface extérieure de l'arbre. D'une manière bien connue de l'homme de l'art, les rotors et les stators sont disposés de façon à faire tourner l'arbre en réponse à la circulation d'un fluide de forage qui descend dans l'espace annulaire 16, l'arbre étant mis en rotation vers la droite, c'est-à-dire dans le sens des aiguilles d'une montre, lorsqu'il est considéré vers le bas, suivant l'axe de l'outil. Comme représenté également sur la figure 1, les paliers 14, qui servent de paliers radiaux ainsi que de butées axiales, sont logés à l'intérieur d'une chambre 19 à lubrifiant comprise entre des joints supérieur et inférieur et 21 assurant l'étanchéité entre l'enveloppe et l'arbre avec une partie inférieure de l'espace annulaire 16. Un 3. 4. 2463256 soufflet 22 est relié à la chambre à lubrifiant et disposé à l'intérieur de l'espace annulaire, au-dessous du joint 21, afin de compenser les variations de pression à l'extérieur de la chambre. L'extrémité inférieure de l'espace annulaire 16 est obturée hermétiquement au moyen d'un joint 23 du type facial et un orifice 24, réalisé dans l'arbre, fait commu- niquer à travers ce dernier l'alésage 15 avec l'espace annu- laire entre le joint 23 et l'ensemble de paliers. Ainsi, comme décrit plus en détail dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 971 450, la pression du fluide de forage exercée à l'intérieur du trépan à turbine hydraulique est sensiblement équilibrée de part et d'autre de la chambre 19 des paliers, délimitée entre les joints 20 et 21, alors que la chute de pression du fluide de forage entre l'intérieur et l'extérieur de l'outil est assurée par le joint 23. Les raisons pour lesquelles un tel montage est utilisé et les avantages de ce montage sont indiqués plus complètement dans le brevet précité et n'entrent pas dans le cadre de l'inven- tion, le montage n'étant représenté que pour illustrer une forme préférée de trépan à turbine hydraulique. La forme de réalisation du dispositif d'embrayage représentée sur les figures 2 et 3 et indiquée globalement en 25 comprend une bague inférieure 26 qui est montée sur un épaulement annulaire 27, à l'intérieur de l'enveloppe 11, et qui est fixée de manière à ne pas pouvoir tourner par rapport à-cette dernière au moyen d'une clavette 28 logée dans des rainures alignées ménagées dans l'enveloppe et dans la bague. Un taquet 29 est situé à l'extrémité supé- rieure de la bague et présente un épaulement 30 qui est tourné dans le même sens que celui dans lequel l'arbre est mis en rotation par le moteur. Le dispositif 25 d'embrayage comprend également une bague supérieure 31 qui entoure l'arbre 12 au-dessus de la bague inférieure 26 et qui est reliée par des cannelures à un manchon 32 s'ajustant autour de l'arbre et fixé à ce dernier, de manière à ne pas pouvoir tourner par rapport à lui, au moyen d'une clavette 33 logée dans des rainures ali- 2463256 gnées qui sont ménagées dans l'arbre et dans le manchon. Ce dernier est supporté par l'arbre au moyen de tout dispositif convenable (non représenté) afin de pouvoir se déplacer verticalement par rapport à l'arbre. De plus, il est évident que le manchon peut être réalisé d'une seule pièce avec l'arbre. L'extrémité inférieure de la bague supérieure 31 comporte un taquet 34 qui présente un épaulement 35 tourné dans le sens opposé à celui de l'épaulement 30, c'est-à-dire dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre lorsque l'ensemble est considéré verticalement suivant l'axe de l'outil. Une came 36 est formée sur l'extrémité supérieure de la bague inférieure 26 et une came 37 est formée sur l'extrémité inférieure de la bague 31. Pendant le fonction- nement normal de l'outil, lorsque l'arbre 12 est mis en rotation par le moteur à turbine dans le sens des aiguilles d'une montre par rapport à l'enveloppe comme indiqué par la flèche sur la figure 2, la came 37 de la bague 31 s'élève en glissant sur la came 36 de la bague inférieure 26 afin que le taquet 34 de la bague 31 se déplace au-delà du taquet 29 pendant que la bague 31 se déplace verticalement le long de sa liaison cannelée avec le manchon 32. Comme représenté, les cannelures ont une forme hélicoïdale et sont inclinées dans le premier sens, c'est-à- dire dans le sens des aiguilles d'une montre lorsque l'ensem- ble est considéré verticalement suivant l'axe de l'outil, de leurs extrémités supérieures vers leurs extrémités infé- rieures. Les surfaces inclinées des cannelures assistent donc le mouvement de montée de la bague 31 lorsque l'arbre tourne dans le sens des aiguilles d'une montre par rapport à l'enve- loppe. Inversement, les surfaces inclinées tendent à mainte- nir la bague 31 dans sa position basse lorsque l'enveloppe est mise en rotation par rapport à l'arbre. Comme décrit précédemment, si le trépan est coincé ou ralenti sous l'effet d'un obstacle à l'intérieur du sondage, le dispositif d'embrayage peut être engagé sélecti- vement afin de faire tourner l'arbre et, par conséquent, le trépan avec l'enveloppe, même si le moteur à turbine fonctionne à sa puissance maximale. Dans ce cas, le couple appliqué au trépan par l'intermédiaire du train de tiges de forage s'ajoute à celui appliqué à ce même trépan par le moteur. Ainsi, lorsque ce couple supplémentaire provoque la libération du trépan, la rotation de ce dernier par rapport à l'enveloppe provoque un dégagement automatique du dispositif d'embrayage afin que le trépan continue d'être mis en rota- tion par le moteur, ce qui permet à l'opérateur de supprimer le couple appliqué à l'enveloppe par l'intermédiaire du train de tiges de forage afin de reprendre les opérations normales de forage. Cependant, si le trépan est mis en rotation à une vitesse relativement élevée lorsque l'opérateur souhaite le faire tourner avec l'enveloppe plutôt que par rapport à cette enveloppe par l'intermédiaire de l'action du moteur à turbine, la circulation du fluide de forage est interrompue ou, de préférence, ralentie suffisamment pour que l'arbre tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, s'il tourne, à une très faible vitesse. Dans tous les cas, lorsque le train de tiges et, par conséquent, l'enveloppe tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, comme indiqué par la flèche sur la figure 3, le taquet 29 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre par rapport au taquet 34 afin d'amener l'épau- lement 30 en contact avec l'épaulement 35. Ensuite, lorsque le trépan est libéré ou que l'outil est actionné sélectivement afin de permettre à l'arbre d'être mis en rotation par le moteur à la suite d'une interruption de la rotation de l'enveloppe et d'une reprise de la circulation normale du fluide de forage, il est évident que le taquet 34 passe au-dessus du taquet 29 alors que la bague 31 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Dans la forme de réalisation du dispositif d'embrayage représentée sur les figures 4 et 5, un- cliquet 40 est disposé dans un évidement 41 ménagé dans une bague 41A entourant la surface extérieure de l'arbre 12A du trépan à turbine hydraulique, le cliquet étant monté de manière à pouvoir pivoter dans l'évidement afin de se rapprocher et de s'éloigner de l'arbre. En particulier, l'évidement permet au 6. cliquet de pivoter vers l'intérieur jusqu'à une position dans laquelle l'arbre peut être mis en rotation librement par le moteur à turbine hydraulique, dans le sens des aiguilles d'une montre, comme indiqué par la flèche sur la figure 4. Lorsque le cliquet est ainsi tourné, un épaulement de son extrémité extérieure est orienté dans le sens opposé à celui de la rotation, c'està-dire dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre. Un évidement 43 est réalisé dans la surface cylindrique intérieure de l'enveloppe 11A du trépan à turbine hydraulique et une extrémité de cet évide- ment présente un épaulement 44 qui est orienté dans le sens des aiguilles d'une montre, c'est-à-dire dans le même sens que celui dans lequel l'arbre est mis en rotation par la turbine du trépan. Un ressort plat 45, disposé entre le côté inté- rieur du cliquet et l'évidement 41, tend à repousser le cliquet vers l'extérieur à partir de la position montrée-sur la figure 4. Ainsi, lorsque l'arbre et, par conséquent, le cliquet sont mis en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre comme indiqué sur la figure 4, le cliquet s'éloigne de l'arbre en pénétrant dans l'évidement 43 lorsqu'il atteint une position opposée à celle montrée sur la figure 4. Cepen- dant, ceci n'affecte pas la rotation libre de l'arbre par rapport à l'enveloppe, car l'extrémité de l'évidement 43 opposée à l'épaulement 44 présente une surface 46 de came qui repousse progressivement le cliquet 40 afin de le ramener de sa position d'extension à sa position de retrait lorsqu'il parcourt l'évidement 43. Cependant, lorsque le trépan est coincé ou ralenti, ou bien lorsque la circulation du fluide de forage est interrompue ou suffisamment ralentie pour permettre à l'enveloppe 11A d'être mise en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre à une vitesse supérieure à celle à laquelle l'arbre tourne dans le même sens et que l'évidement 43 se déplace jusqu'à une position opposée au cliquet 40, l'épaulement 44 d'une extrémité de cet évidement entre en contact avec l'épaulement de l'extrémité extérieure libre du cliquet 40 afin de faire tourner ce dernier et, par consé- quent, l'arbre avec l'enveloppe. 7. 8. 2463256 Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'outil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 9 2463256 REVENDICATIONS 1. - Outil de forage de fond, caractérisé en ce qu'il comporte deux éléments tubulaires disposés concentri- quement et comprenant une enveloppe (11) pouvant être reliée à un train de tiges de forage afin d'être suspendue à l'inté- rieur d'un sondage, et un arbre (12) supporté de manière à pouvoir tourner à l'intérieur de l'enveloppe et qui peut être relié à un trépan (13) situé au-dessous de l'extrémité infé- rieure de cette enveloppe, un moteur faisant tourner l'arbre et, par conséquent, le trépan dans un premier sens par rapport à l'enveloppe, un dispositif (25) d'embrayage pouvant être engagé afin de faire tourner l'enveloppe avec l'arbre lorsque l'enveloppe est mise en rotation par rapport à l'arbre dans ledit premier sens, ce dispositif d'embrayage pouvant être dégagé afin de permettre à l'arbre d'être mis en rotation par rapport à l'enveloppe dans ledit premier sens sous l'action du moteur. 2. - Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur comprend un dispositif destiné à faire tourner l'arbre sous l'effet de la circulation d'un fluide de forage dans l'outil. 3. - Outil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif faisant tourner l'arbre comprend des pales (17, 18) de turbine fixées à l'arbre et à l'enveloppe. 4. - Outil selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif (25) d'embrayage comprend une première partie d'embrayage portée par un premier élément tubulaire afin de pouvoir se déplacer par rapport à ce dernier jusqu'à une position dans laquelle cette partie est engagée avec une seconde partie d'embrayage portée par le second élément tubulaire afin de faire tourner l'arbre avec l'enveloppe lorsque cette dernière est mise en rotation par rapport à l'arbre dans ledit premier sens, la première partie d'embrayage pouvant être déplacée par rapport au premier élément tubulaire et amenée dans une autre posi- tion dans laquelle elle est dégagée de la seconde partie d'embrayage afin de permettre à l'arbre d'-être mis en rota- tion par rapport à l'enveloppe dans ledit premier sens sous l'action du moteur. 5. - Outil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première partie d'embrayage est portée par l'arbre (12) et en ce que la seconde partie d'embrayage est portée par l'enveloppe (11). 6. - Outil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enveloppe (11) comporte un taquet (29) qui présente un épaulement (30) tourné dans ledit premier sens, l'arbre (12) portant une bague (31) à laquelle il est relié par des cannelures afin de permettre un mouvement vertical de la bague par rapport à l'arbre, la bague comportant un taquet (34) qui présente un épaulement (35) pouvant entrer en contact avec l'épaulement du taquet de l'enveloppe lorsque cette dernière est tournée par rapport à l'arbre dans ledit premier sens, afin que l'arbre soit mis en rotation avec l'enveloppe alors que cette dernière continue de tourner ainsi, la bague (31) et le taquet (29) porté par l'enveloppe présentant des surfaces de came (36, 37) qui déplacent la bague verticalement par rapport à l'arbre afin que le taquet de ce dernier puisse dépasser librement l'autre taquet pour permettre audit arbre d'être mis en rotation par le moteur lorsque cet arbre est tourné par rapport à l'enveloppe dans ledit premier sens. 7. - Outil selon la revendication 6, caractérisé en ce que la bague (31) est située au-dessus du taquet (29) porté par l'enveloppe (11), les cannelures étant notamment hélicoïdales et orientées dans ledit premier sens, de leur extrémité supérieure vers leur extrémité inférieure. 8. - Outil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enveloppe (11A) présente un évidement (43) et en ce qu'un cliquet (40) est monté sur l'arbre (12A) afin de pouvoir se déplacer par rapport à ce dernier et se rapprocher et s'éloigner de l'évidement, le cliquet tendant à être déplacé vers l'évidement et une première extrémité de ce dernier présentant un épaulement (44) tourné dans ledit premier sens et destiné à entrer en contact avec un épaulement présenté par le cliquet lorsque l'enveloppe est mise en rotation par rapport à l'arbre dans ledit premier sens afin de faire tourner l'arbre avec l'enveloppe, l'évide- 10. i1. ment et le cliquet présentant des surfaces de came (46) qui dégagent à force le cliquet de l'évidement afin de permettre à l'arbre d'être mis en rotation par rapport à l'enveloppe dans ledit premier sens sous l'action du moteur. 9. - Outil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le cliquet (40) est monté de manière à pouvoir pivoter sur l'arbre (12A) autour d'un axe longitudinal, un organe élastique (45) tendant notamment à déplacer le cliquet vers l'évidement (43). 10. - Procédé de forage d'un sondage au moyen d'un outil comportant un trépan suspendu à un arbre qui est monté de manière à pouvoir tourner à l'intérieur d'une enve- loppe, elle-même suspendue à un train de tiges de forage s'étendant jusqu'à la surface, un moteur étant disposé entre l'enveloppe et l'arbre et destiné à être actionné afin de faire tourner l'arbre dans un premier sens par rapport à l'enveloppe, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consis- te sélectivement à appliquer un couple au train de tiges de forage, à la surface, afin de faire tourner l'enveloppe dans ledit premier sens par rapport à l'arbre et, par conséquent, d'engager un dispositif d'embrayage entre l'enveloppe et l'arbre, ce qui permet à ce dernier et, par conséquent, au trépan d'être mis en rotation dans ledit premier sens lors de la poursuite de l'application du couple au train de tiges de forage, ou bien à actionner le moteur afin de faire tourner l'arbre dans ledit premier sens par rapport à l'enveloppe afin de dégager le dispositif d'embrayage pour que l'arbre et, par conséquent, le trépan puissent continuer de tourner dans ledit premier sens sous la poursuite de l'action du 3 moteur.