Brevet FR2465063A1 — publié le 19810320

La présente invention intéresse l'exploration et- l'exploitation de resources minières et a notamment pour objet une unité motrice d'entraînement des outils de désagrégation des roches destinés en particulier au forage ou à la réparation des puits de pétrole, de gaz, ou encore à des sondages d'exploration géologique. La présente invention peut être aussi appliquée dans d'autresdomainesanalogues. On conna t un moteur d'entraînement d'un outil de destruction ou de désagrégation des roches comportant un organe moteur proprement dit et un ensemble intermédiaire de liaison de ce moteur à l'outil proprement dit de per- foration ou de désagrégation des roches. Cet ensemble intermédiaire, accouplé à la fois à l'organe moteur et à l'outil de désagrégation des roches est compris dans un corps sur lequel et dans lequel il repose par l'intermédiai- re de paliers d'appui et de palier de butée. Le palier de butée est constitué par un ensemble de bagues extérieures et intérieures entre lesquelles sont retenus des corps de roulement tels que des billes. Les bagues intérieures qui présentent des profils variés sur lesquels peuvent se déplacer les billes, sont serrées ou bloquées sur l'arbre detransmission des efforts de rotation et les bagues extérieures sont logées dans un corps d'ensemble contenant l'organe intermédiaire propre- ment dit. Cette unité motrice a été utilisée avec succès pour le forage des puits d'un diamètre grand ou moyen. Toutefois, sa réalisation comporte la mise en oeuvre d'un nombre de pièce relativement important et la section relativement grande occupée par les paliers de butée ne permet pas d'utiliser ce type d'unité dans le forage des puits de petit diamètre car, dans ce cas, l'outil ne présenterait pas une longévité suffisante. En effet, si l'on désire effectuer un forage de puits de petit diamètre, on est confronté à la diminution du diamètre de l'arbre de transmission des efforts, ce qui abaisse la puissance admissible transmise par le moteur proprement dit et par suite celle qu'ilest normal de faire développer par ledit moteur. On est donc conduit, pour obtenir un diamètre de l'arbre transmdtant les efforts assurant une résistance convenable,à diminuer sensiblement le diamètre des corps de roulement, ce qui se traduit notamment par une baisse de la durée de vie de l'unité d'entrainement, etant donnée la faible capacité portante des corps de roulement que 1 ' on rELt PbOEr dans cette unité. Le but de la présente invention est d'obtenir un ensemble moteur pour l'entraînement d'un outil de forage ou de perforation dans les roches dans l quel la durée de vie et la fiabilité du fonctionnement de l'unité d'entraînement seraieit am4lioréesmême dans le cas du forage de puits de petit diamètre ce qui simplifia'ait considéra- blement la technologie des travaux miniers correspondants. L'unité motrice selon l'invention pour l'entraînement d'un outil de désagrégation des roches comporte un organe moteur, relié cinématiquement à un ensemble intermédiaire qui lui-même entraine l'outil de désagrégation des roches, ces différents organes étant coaxiaux, l'unité intermédiaire présentant une partie ou un élément dans lequel on a pratiqué des gorges toroldales avec lesquelles entrent en contact des corps de roulement. On peut ainsi augmenter les dimensions de ces corps de roulement, le diamètre de l'arbre étant lui-même maintenu, ce qui permet d'élever notablement la durée de vie tant du palier de butée que de tout l'ensemble de l'unité motrice grâce à l'élévation de la capacité de portée des corps de roulement. Selon une variante, un élément individualisé de l'organe intermédiaire est seul muni des gorges dans les - quelles prennent appui les corps de roulement. Cette disposition permet de soigner particulièrement la réalisa- tion des gorges sur lesquelles portent les corps de roulement tout en simplifiant la réalisation mécanique de l'usinage. On peut en outre de cette façon rendre plus compact l'ensemble intermédiaire tout en maintenant la qualité des gorges contenant les organes de butée, et en élevant sensiblement la durée de vie du fonctionnement du palier de butée. Dans le but de réduire au minimum les contraintes de contact tout en maintenant la possibilité d'un assembla- ge séquenciel des rangées succemives du palier de butée, en maintenant en outre la résistance générale de l'arbre intermédiaire, on usine sur cetarbre intermédiaire des gorges toroldales dans lesquelles prendront place les corps de roulement, gorges toroldales à section axiale circulaire, o le rayon de la gorge est compris entre 0,1 et 0,25 fois le diamètre intérieur minimum de l'a1bilic. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celles-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux.dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 représente une vue d'ensemble d'une unité motrice selon l'invention, en coupe longitudinale; - la figure 2 est un agrandissement de la zone A de la figure 1. Une unité motrice selon l'invention comporte un organe moteur 1 et un ensemble intermédiaire 2. L'organe moteur 1 comprend notamment un corps 3 à l'intérieur duquel sont ménagés et disposés les organes fournissant l'énergie de désagrégation des roches. Dans-le cas représen- té à la figure 1, on trouve à l'intérieur du corps 3 un stator hélicoïdal4 et un rotor hélicoïdal 5 monté à l'intérieur du stator 4. Selon la figure 1 l'ensemble intermédiaire 2 comprend un arbre composite 6, constitué dans l'exemple représenté par une pièce de raccord 7, une pièce 9 dite intercalaire et un arbre de sortie 10. L'arbre composite 6 est inséré dans un corps extérieur 16 par l'intermédiaire de paliers d'appui 11, ici deux sont figurés, par exemple des paliers caoutchoutés. Ces paliers 11 sont destinés à assurer la transmission des efforts radiaux entre l'arbre 6 et le corps 16. Entre ces mêmes pièces 6 et 16 est interposé un palier de butée 12, destiné à transmetre les efforts dans le sens longitudinal, parallèles à l'axe de l'unité motrice, ce palier 12 comportant plusieurs rangées de corps de - roulement 8, par exemple des billes, qui prennent appui sur des cages extérieures 13. Les corps de roulement 8 prennent appui d'autre part sur des gorges toroidales 15, pratiquées sur la surface extérieure de la pièce 9. Entre les différentes cages extérieures 13 superposées sont intercalés des anneaux 14, l'ensemble des anneaux 14 et des cages 13 étant rendu solidaire de la pièce 16 qui les entoure par exemple par des filetages. L'ensemble constitue donc en opération un bloc monolithique Il est évidement possible selon une variante non représentée de réaliser en une seule pièce les trois pièces ci-dessus décrites 7,9,10.Dans ce cas les rainures ou gorges toroldales 15 sont réalisées sur une partie de cette pièce unique, équivalent mécanique des trois pièces 7,9, 10. Entre l'organe moteur proprementdit 5 et l'arbre composite, ou unitaire, de l'ensemble intermédiaire est interposé un élément d'accouplement 17. A la sortie de l'arbre intermédiaire, est monté un raccord 18 pour la fixation de l'outil de forage proprement dit. L'unité motrice complète est suspendue à un train de tige de forage ou à une colonne de tubage non représentée, par exemple par l'intermédiaire d'un raccord 19. L'unité motrice selon l'invention fonctionne de la manière suivante. La boue de forage arrive par le raccord 19, puis circule entre le stator 4 et le rotor 5 et par réaction met en rotation le rotor 5; la boue de forage continue par des passages intérieurs puis arrive au raccord 7, traverse la pièce 9 et gagne l'arbre de sortie 10 d'ouX elle débouche dans le fond du trou. Le couple moteur, créé dans l'organe moteur 1 est transmis du rotor hélicoïdal 5 à l'arbre 6 par l'intermédiaire de l'élément d'accouplement 17 puis à l'outil de forage proprement dit. L'effort selon l'axe reçu sur le rotor hélicoîdal de la boue de forage, les autres efforts agissant selon la même direction, et les efforts provenant de la réaction du fond sont transmis auKpaliers de butée 12, tandis que les efforts radiaux résultant notamment du déséquilibre dynamique de l'unité en cours de fonctionnement sont transmis aux paliers 11. La transmission des efforts selon l'axe au niveau de la pièce 9 s'effectue par l'intermédiaire des corps 8 de roulement sur les bagues extérieures 13 et de là au corps 16. L'angle de contact doit être choisi en partant des contraintes minimales de contact et des conditions de l'assemblage des différentes rangées constituant le palier de butée 12 dans son ensemble. On choisit les dimensions des corps de roulement et le diamètre des gorges toroldales 15 pour satisfaire aux mêmes conditions. Il a été établi que, lorsqu'on diminue le diamètre des corps de roulement 8, tout en conservant ou en diminuant d'une certaine mesure les dimensions des gorges toroldales 15, pratiquées sur la pièce 9, on diminuait notablement la capacité portante du palier de butée 12 dans son ensemble. On a de plus constaté,que la diminution du diamètre des corps de roulement 8 provoque la réduction de leur capacité portante tout en permettant une usure plus grande de ces même corps, surtout dans le cas des paliers d'un type ouvert. Il est bien évident que ce processus d'usure est intensifié si la boue de forage contient des particules abrasives. Cependant, l'augmentation des dimensions des corps de roulement 8 peut conduire à une diminution de la marge de résistance de l'arbre 6 lors de la transmission de couples moteurs considérables, en particulier lors d'un arrêt instantané de l'arbre 6 (régime de freinage). Pour cette raison, les performances technologiques de l'unité motrice selon l'invention peuvent être limitées (par exemple, la diminution du débit de la boue de forage conduit à une baisse de la puissance admissible développée par le moteur proprement dit) Selon une variante de l'invention, dans laquelle les gorges toroldales 15 sont à section circulaire, on choisit le rayon r de cette section circulaire 15 (figure 2) dans le rapport de 0,1 à 0,25 fois le diamètre intérieur D de l'ombilic intérieur D du tore correspondant à la rainure toroldale 15. L'unité motrice selon l'invention permet d'augmenter la charge appliquée sur les paliers de butée 12 grâce à une utilisation plus efficace de la section transversale et de la disposition des corps de roulement 8 par rapport aux paliers de butée 12, tout en diminuant le nombre des pièces à usiner et en simplifiant le montage des pièces maintenues pour la réalisation de l'unité selon l'invention. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés 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 oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Unité motrice d'un outil de désagrégation des roches comprenant un organe moteur entrainant une unité intermédiaire, cette unité intermédiaire,disposée à l!ntérieur d'un corps,comportant un arbre lié d'une part, à l'organe moteur et d'autre part,à l'outil de forage dans les roches, unité motrice caractérisée en ce que les paliers d'appui transmetant les réactions entre le corps extérieur de l'unité intermédiaire et l'arbre intermédiaire sont constitués d'une part par des gorges toroïdales intérieures ménagées à la surface extérieure de l'arbre intermédiaire et d'autre part par des anneaux et cages extérieures disposés à l'intérieur dudit corps, la liaison entre gorges toroldales et cages extérieures étant assurée par les corps de roulement. 2. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie de l'arbre intermédiaire sur laquelle sont ménagées les gorges toroldales est une pièce inter- calaire individualisée. 3. Unité selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisée en ce que le rapport entre le rayon de la section transversale,passant par l'axe de l'unité,d'une gorge toroldale ménagée dans l'arbre intermédiaire et le diamètre intérieur de l'ombilic du tore correspondant est d'environ 0,1 à 0,25