Brevet FR2465097A1 — publié le 19810320

La présente invention se rapporte aux techniques utilisées pour le forage et plus précisément à une turboforeuse. L'invention peut être utilisée avec le maximum d'avantages dans les turboforeuses destinées au forage des puits profonds de pétrole et de gaz dans des conditions géologiques et minières compliquées, Outre cela, l'invention peut trouver une application dans les turboforeuses destinées à réaliser des puits dirigés inclinés. Pour la prospection et l'exploitation des gisements de pétrole et de gaz disposés dans des conditions minières et géologiques compliquées, la construction d'une turboforeuse doit satisfaire à une série d'exigences conditionnant une utilisation efficace de celle-ci. Premièrement, la construction d'une turboforeuse doit assurer un contrôle opérationnel de la position dans l'espace de l'outil de forage attaquant le fond du puits au cours d'un forage. Deuxièmement, la durée de service de la turboforeuse doit être assez longue pour qu'il soit possible de ré- duire les frais d'exploitation de celle-ci. Une turboforeuse utilisée actuellement est réalisée avec une circulation en série du courant de la boue de forage. Cette turboforeuse comprend un corps, un arbre plein, une turbine à plusieurs étages, des supports radiaux et un support axial. Le corps est relié au train de tiges de forage, tandis que l'arbre porte l'outil de forage. Le support axial est isolé de la boue de forage par l'intermédiaire de joints d'étanchéité et il comporte une cavité remplie par une graisse. Dans le cas d'une circulation en série de courant de la boue de forage toute la quantité de la boue arrive à la turbine à plusieurs étages où elle crée une chute de pression en entratnant en rotation l'arbre et l'outil de forage. De la turbine à plusieurs étages, la boue de forage arrive à des orifices pratiqués dans l'outil de forage. Dans ce cas, la chute de pression dans les orifices de l'outil de forage provoque une charge complémentaire sur les joints d'étanchéité de la cavité du support axial, ce qui provoque une usure rapide des joints d'étanchéité. Dans le cas d'une dynamicité élevée du fonctionnement et de surfaces rigides de contact des joints d'étanchéité de la cavité du support axial, on consomme une grande quantité de graisse. Souvent, la quantité de graisse ne suffit pas pour un seul passage. Il n'est également pas possible d'augmenter la fiabilité du fonctionnement du joint d'étanchéité en augmentant le nombre de ceux-ci, puisque dans ce cas on arrive pas à assurer une répartition prédéterminée des pressions de contact agissant sur les joints d'étanchéité. En outre, la turboforeuse en question ne satisfait pas à une exigence importante qui est un contrôle opérationnel de la disposition de l'outil de forage dans l'es- pace au fond du puits. Cet inconvénient n'est pas caractéristique de la construction d'une turboforeuse à courant parallèle de la boue de forage. Cette turboforeuse comporte un corps avec un orifice pratiqué sur la surface latérale, une turbine à plusieurs étages et un arbre dans lequel existe une cavité interne. Dans l'espace entre le corps et l'arbre se trouvent des supports radiaux et axial. La présence de l'arbre ayant une cavité interne assure un contrôle opérationnel de la position dans l'espace de l'coutil de forage au fond du puits lors d'un forage. Cependant, la présence d'un support axial ayant une cavité qui se remplit par la boue de forage comportant une phase abrasive provoque un rythme rapide d'usure de ce lui-ci. La présente invention vise â mettre en oeuvre une turboforeuse comportant un ensemble constructif qui isolerait d'une manière certaine la cavité du support axial de la boue de forage comportant une phase abrasive ; grâce à quoi le support axial pourrait fonctionner dans des conditions assurant un faible rythme d'usure de celui-ci. Ce problème est résolu par la mise en oeuvre d'une turboforeuse dont le corps comporte, sur la surface latérale, un orifice pour le passage de la boue de forage et qui comporte une turbine à plusieurs étages avec une chambre d'entrée mise hydrauliquement en communication avec un train de tiges de forage et ayant une chambre de sortie mise à travers un orifice pratiqué dans le corps en communication avec l'espace annulaire existant entre le corps et la paroi du puits, et un arbre ayant une cavité interne monté dans le corps sur des supports radiaux et axial et dont la cavité est mise hydrauliquement en communication avec le train de tiges de forage et avec la chambre disposée au-dessus des tuyères de l'outil de forage ; dans cette turboforeuse, suivant l'invention, des joints d'étanchéité isolant la cavité du support axial de la boue de forage sont placés dans l'espace annulaire entre le corps et i'arbre. Une isolation de la cavité pratiquée dans le support axial de la boue de forage comportant une phase abrasive assure un fonctionnement du support axial dans le milieu qui réduit le rythme-d'usure du support. Il est très avantageux de placer, entre les joints d'étanchéité le long de l'axe de l'arbre, un lubrificateur dont la cavité remplie par une graisse est mise en communication avec la cavité pratiquée dans le support axial. Grâce à un maintien de la pression de la graisse au moins au niveau de la pression du milieu environnant, on arrive à empêcher la pénétration de la boue de forage dans la cavité pratiquée dans le support axial. Il est avantageux d'utiliser un joint d'étanchéité comportant au moins deux éléments qui sont en contact l'un avec l'autre, (dits ci-après-éléments de contact) dont l'un est monté dans le corps et l'autre sur l'arbre. Au contact de deux éléments dont un-est immobile et l'autre tourne, une étanchéité certaine entre le corps et l'arbre est assurée suivant la surface de contact. Il est possible de réaliser chaque élément de contact sous la forme d'un disque, ce qui permet de réduire les dimensions du joint d'étanchéité au cours de son ection- nement et de rendre plus simple la fabrication de ce joint. Grâce au fait qu'au moins un des joints d'étan chéité se trouvant en contact est réalisé en un matériau élastique, le poids de l'élément est réduit et sa résistance aux vibrations augmente. Une telle réalisation permet de mettre en oeuvre un élément de contact de dimensions réduites avec une application poursuivie constante sans faire appel à des dispositifs d'applications supplémentaires. Il est avantageux d'installer dans au moins un des éléments de contact un régulateur de la pression de la graisse dans la cavité réalisée dans le support axial. La présence d'un régulateur empêche un réchauffement de la graisse et une augmentation de son volume dans la cavité pratiquée dans le support axial et, par conséquent, une mise hors d'usage des pièces du joint d'étanchéité au cours du fonctionnement de la turboforeuse. Il est avantageux d'utiliser des joints d'étan chéité réalisés en au moins trois éléments de contact montés successivement le long de l'axe de l'arbre et formant une cavité fermée communiquant avec la cavité pratiquée dans le support axial à travers le régulateur de la pression dans ladite cavité, ce régulateur étant installé au moins dans un des éléments de contact. La cavité fermée constituée par trois éléments de contact forme une zone tampon empêchant un transvasement de la boue de forage dans la cavité réalisée dans le support axial, tandis que le régulateur ue pres sion répartit d'une manière uniforme les pressions de contact sur les éléments de contact et maintient dans la zone tampon une pression prédéterminée. Tout ceci détermine une haute fiabilité du fonctionnement du joint d'étanchéité. Il est possible de réaliser le régulateur de pression sous la forme d'un clapet à bille repoussée par un ressort qui assure la création d'une valve doseuse précise à ressort calibré. La présente invention ressortira mieux de la description détaillée qui va suivre d'un exemple de réalisation faite en regard des dessins annexés sur lesquels - les Fig. l et 1' représentent une vue d'ensemble de la turboforeuse selonl'invention, divisée en deux parties qui se réunissent suivant une ligne a-a, avec coupe longitudinale partielle; - la Fig. 2 représente une partie de la turboforeuse avec des joints d'étanchéité réalisés sous la forme d'éléments de contact, selon l'invention, vue en coupe longitudinale - la Fig. 3 montre une partie de la turboforeuse avec des joints d'étanchéité où les éléments de contact sont réalisés sous la forme de disques dont une partie est réalisée en un matériau élastique ; et - la Fig. 4 représente une partie de la turboforeuse avec des joints d'étanchéité constitués par trois éléments de contact disposés successivement en formant une cavité fermée, un régulateur de pression étant monté dans un des éléments. La turboforeuse suivant l'invention représentée sur la Fig. 1 est à une seule section. Elle comprend un corps 1 fixé sur un train de tiges de forage 2 et ayant un orifice 3 qui est pratiqué dans la surface latérale et destiné a' assurer la sortie de la boue de forage, une turbine à plusieurs étages constituée par des stators 4 et des rotors 5, ainsi qu'un arbre 6. L'arbre 6 comporte une cavité interne 7. Les stators 4 sont fixés dans le corps 2, tandis que les rotors 5 sont montés sur l'arbre 6. Devant l'entrée de la boue de forage dans la turbine à plusieurs étages se trouve une chambre d'entrée 8 et en aval du dernier étage de la turbine à plusieurs étages se trouve une chambre de sortie 9.La turboforeuse comporte également des supports radiaux 10 et axial ll. Les pièces constituant le support axial ll forment une cavité 12. Les supports radiaux 10 centrent l'arbre 6 dans le corps 1 et le support axial ll transmet les efforts axiaux du corps l à l'arbre 6. L'arbre 6 porte un outil de forage 13. L'outil de forage 13 est percé d'orifices 14 servant à assurer la sortie de la boue de forage au fond du puits, au-dessus desquels est disposée une chambre 15 se trouvant au-dessus de l'outil de forage. La cavité 12 prévue dans le support axial 1l est isolée de la boue de forage par l'intermédiaire de joints d'étanchéité 16 et 17. Entre les joints d'étanchéité 16 et 17 sont montés un lubrificateur 18 et une douille de remplissage 19. Une cavité 20 pratiquée dans le lubrificateur 18, et remplie d'un lubrifiant, communique avec la cavité 12 prévue dans le support axial 11. Le train de tiges de forage 2 possède une cavité interne 21 qui est mise en communication avec la chambre d'entrée 8 et avec la cavité 7 pratiquée dans l'arbre 6. La chambre de sortie 9 est mise en communication avec l'orifice 3. La chambre 15 se trouvant au-dessus de l'outil de forage est mise en communication avec la cavité 7 pratiquée dans l'arbre 6. Pour la fixation des stators 4 dans le corps 1, on utilise un raccord 22 et, pour la fixation des rotors 5 sur l'arbre 6, on utilise un écrou 23. Les joints d'étanchéité 16 et 17 sont constitués par deux éléments de contact 24 (Fig.2) et 25 dont l'un 24 est fixé dans le oorps 1, tandis qu-e l'autre 25 est fixé sur l'arbre 6. A travers la douille de remplissage 1-, les cavités 12 et 20 sont remplies, par exemple, d'un lubrifiant. La Fig. 3 représente une variante de réalisation des joints d'étanchéité 16 et 17 dans laquelle les éléments de contact sont réalisés sous forme de disques 26 et 27, les disques 26 étant réalisés en un matériau élastique. Il est avantageux d'utiliser un joint d'étanchéité constitué par trois éléments (comme le montre la Fig.4). Le long de l'axe de l'arbre 6 sont montés trois éléments de contact, successivement 28, 29 et 30, délimitant une cavité fermée 31. Dans l'élément 29 est placé un régulateur de pression se présentant sous la forme d'un clapet à bille 32 repoussée par un ressort. La cavité 31, par le clapet à bille repoussée par le ressort 32, est mise en communication avec la cavité 12 pratiquée dans le support axial 11. Le fonctionnement de la turboforeuse suivant l'in- vention est le suivant. La boue de forage amenée par des pompes à boue (non représentées) arrive à travers le train de tiges de forage 2 dans le raccord 22 dans lequel elle est divisée en deux courants parallèles. Une partie parallèle du courant arrive à la chambre d'entrée 8 et, en passant à travers la turbine à plusieurs étages, met en jeu la différence des pressions et arrive a' la chambre de sortie 9. Ensuite, à travers l'orifice 3 la boue s'écoule dans l'espace annulaire du puits (non représenté). L'autre partie parallèle du courant à travers la cavité 7 prévue dans l'arbre 6; arrive à la chambre 15 se trouvant au-dessus de l'outil de forage et la différence des pressions dans les orifices 14 pratiqués dans l'outil de forage 13 se met en action. La différence des pressions dans les orifices 1 de l'outil de forage 13 est égale à la différence des pressions régnant dans la turbine à plusieurs étages constituée par les stators 4 et les rotors 5. Les rotors 5 entraînent en rotation l'arbre 6 et l'outil de forage 13. Comme le montre la Fig. 1, grâce à la division parallèle du courant le joint d'étanchéité 16 est déchargé de la différence des pressions dans les orifices 14 pratiqués dans l'outil de forage 13 et c'est pourquoi la boue de forage s'écoule à travers l'orifice 3 devant le joint d'étanchéité 16 sans pénétrer dans la cavité 12 pratiquée dans le support axial 11. Le lubrificateur 18 égalise les pressions ou crée une contre-pression agissant sur les deux joints d'étanchéité 16 et 17, ne donnant pas ainsi à la boue de forage la possibilité de pénétrer dans les cavités 12 et 20. A une variation de la pression du lubrifiant dans les cavités 12 et 20 les régulateurs de pression règlent la pression dans la cavité fermée 31 tout en assurant une répartition prédéterminée des pressions de contact s'exerçant sur les joints d'étanchéité. Lors de vibrations de la turboforeuse, les joints d'étanchéité 16 et- 17 réalisés en un matériau élastique assurent d'une manière la plus certaine l'isolation des cavités 12 et 20 vis-a-vis de la boue de forage. Tout ceci assure une bonne protection contre la boue de forage de la cavité réalisée dans le support axial et détermine un haut potentiel de service de la turboforeuse. Outre le mode d'utilisation de la turboforeuse avec un arbre rotatif, il est possible de l'utiliser avec un corps tournant. Dans ce cas 1 'arbre de la turboforeuse est relié au train de tiges de forage, tandis que le corps porte l'ou- til de forage. Les stators remplissent le rôle des rotors et inversement. Aucune modification dans ce cas n'est nécessaire. Une telle réalisation de la turboforeuse permet de descendre, à travers le train de tiges et la cavité de l'arbre jusqu'aux tuyères de l'outil de forage, différents appareils pour déterminer les coordonnées du front de forage sans remonter la turboforeuse, ce qui permet d'effectuer les mesures directement dans la zone de travail de l'outil. REVENDICATIONS 1 - Turboforeuse comprenant un corps dont la surface latérale est percée d'un orifice pour le passage de la boue de forage, une turbine à plusieurs étages montée dans le corps et possédant une chambre d'entrée mise hdraulique- ment en communication avec le train de tiges de forage et une chambre de sortie communiquant à travers l'orifice pratiqué dans le corps avec l'espace-annulaire situé entre le corps et la paroi du puits, et un arbre creux monté dans le corps sur des support s axial et radiaux dont la cavité est mise hydrauliquement en communication avec le train de tiges de forage et avec une chambre disposée au-dessus des tuyères de l'outil de forage, caractérisé en ce que, dans l'espace annulaire situé entre le corps et l'arbre, sont montés des joints d'étanchéité isolant la cavité du support axial de la boue de forage. 2 - Turboforeuse suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'un lubrificateur, dont la cavité est mise en communication avec la cavité du support axial, est monté entre les joints d'étanchéité le long de l'axe de l'arbre. 3 - Turboforeuse suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le joint d'étanchéité comporte au moins deux éléments en contact l'un avec l'autre dont l'un est placé dans le corps et l'autre sur l'arbre. 4 - Turboforeuse suivant la revendication 3, caractérisée en ce que chaque élément de contact est réalisé sous la forme d'un disque. 5 - Turboforeuse suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'au moins un des éléments de contact est réalise en un matériau élastique. 6 - Turboforeuse suivant la revendication 3, caractérisée en ce que dans au moins un des éléments de contact est monté un régulateur de la pression du lubrifiant dans la cavité du support axial. 7 - Turboforeuse suivant la revendication 1 ou 6, caractérisée en ce que le joint d'étanchéité est constitué par au moins trois éléments de contact montés successivement le long de l'axe de l'arbre et formant une cavité fermée communiquant avec la cavité pratiquée dans le support axial à travers le régulateur de la pression dans ladite cavité, le régulateur étant monté au moins dans un des éléments de contact. 8 - Turboforeuse suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le régulateur de pression est un clapet à bille repoussée par un ressort.