Brevet FR2479892A1 — publié le 19811009

La présente invention concerne un dispositif d'entraînement di- rect pour trépan de forage, comportant une section d'entraînement, une section de transmission et une section des roulements, dans lequel tous les roulements, qui sont destinés à l'étayage axial d'une partie des roulements de la section d'entraînement, ainsi que tous les roulements des autres sections qui sont des- tinés à l'étayage radial et la transmission, sont logés dans un espace annulaire étanche à l'huile, disposé entre un tuyau extérieur non rotatif et plusieurs tuyaux intérieurs rotatifs disposés axialement à la suite les uns des autres, cet espace annulaire étant pourvu d'un réservoir d'huile, Et le fluide de rin- çage étant conduit entre les tuyaux intérieurs disposés concentriquement vers le trépan, qui est monté à l'extrémité du tuyau intérieur au niveau de la section des roulements. Elle concerne également un dispositif d'entraînement direct pour trépan de forage, comportant une section d'entraînement et une section de roulements, dans lequel tous les roulementsqui sont destinés à l'étayage axial d'une partie des roulements de la section d'entraînement, ainsi que tous les rou- lements des autres sections qui sont destinés à l'étayage radial, sont logés dans un espace annulaire étanche à l'huile, disposé entre un tuyau extérieur non ro- tatif et plusieurs tuyaux intérieurs rotatifs et disposés axialement à la suite les uns des autres, cet espace annulaire étant pourvu d'un réservoir d'huile et le fluide de rinçage étant conduit entre les tuyaux intérieurs disposés concen- triquement vers le trépan, qui est monté à l'extrémité du tuyau intérieur au ni- veau de la section des roulements. De tels dispositifs sont soumis à des conditions d'utilisation extrêmement rudes, qui donnent naissance à d'importantes tensions axiales et radiales. Des chocs dus aux conditions de forage, dépendant essentiellement des couches géologiques rencontrées, agissent sur les tiges de suspension du tré- pan, les organes de transmission et les organes d'entraînement, par exemple une turbine, de sorte que ces installations ne sont pas toujours d'une utili- sation très sûre en raison des contraintes qu'on leur impose, que leurs révi- sions et leurs réparations nécessitent des interventions de longue durée et que leur durée de vie est relativement faible. En outre, le temps perdu, nécessaire pour effectuer des interventions sur le dispositif d'entraînement, ne peut pas être mis en valeur pour une révision du trépan lui-même. La revue "Artep Institut Français du Pétrole" décrit un dis- positif d'entraînement direct pour trépan de forage, comportant un réducteur tel que défini ci-dessus, l'entraînement étant rigide dans sa totalité, ce qui fait que le dispositif souffre des inconvénients susmentionnés. Ces mêmes in- convénients apparaissent également sur d'autres dispositifs connus, ne compor- tant aucun mécanisme de transmission réducteur, c'est-à-dire pour lesquels la 1. 2. vitesse de rotation du dispositif d'entraînement est égale à celle du trépan de forage. La présente invention se propose de pallier les inconvénients des systèmes connus, en réalisant un dispositif ayant une sûreté de fonctionne- ment très élevée et dont la durée de vie est sensiblement améliorée. Dans ce but, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que l'espace annulaire, ménagé entre les sections d'entraînement et de transmission, comporte des roulements axiaux complémentaires, pour absorber les forces axiales qui prennent naissance dans la section d'entraînement, en ce que la section des roulements, située entre la section de transmission et le trépan, comporte un couplage rigide en rotation mais qui relie, avec une grande mobilité axiale relative, le tuyau intérieur portant le trépan à l'entraînement de la section de transmission, en ce que la section de roulements comporte des éléments ressorts, qui rendent possible la compensation des forces axiales lors d'un dé- placement axial du tuyau intérieur, et qui sont montés entre le tuyau extérieur et le tuyau intérieur; des roulements à rouleaux permettant un décalage axial relativement grand du tuyau intérieur en vue de l'étayage radial; et des roule- ments à rouleaux équipés d'un dispositif de compensation des charges, pour com- penser les pressions axiales du trépan ou pour réaliser une suspension élastique du tuyau intérieur. Selon une autre forme de réalisation, le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que l'espace annulaire, ménagé entre les sec- tions d'entraînement et de roulements, comporte des roulements axiaux complé- mentaires pour absorber les forces axiales qui prennent naissance dans la sec- tion d'entraînement, en ce que la section des roulements, située entre la sec- tion d'entraînement et le trépan, comporte un couplage rigide en rotation, mais qui relie, avec une grande mobilité axiale relative, le tuyau intérieur portant le trépan avec le tuyau intérieur constituant l'arbre de sortie de la section d'entraînement, en ce que la section des roulements comporte des élé- ments ressorts qui rendent possible la compensation des forces axiales lors d'un décalage axial du tuyau intérieur, ces éléments ressorts étant disposés entre le tuyau extérieur et le tuyau intérieur; des roulements à rouleaux, per- mettant un décalage axial relativement grand du tuyau intérieur, en vue de son étayage radial; et des roulements à rouleaux équipés d'un dispositif de compen- sation des charges, pour compenser la pression axiale du trépan ou pour réali- ser une suspension élastique du tuyau intérieur. Grâce à la compensation des forces axiales exerçant dans la section d'entraînement sur le tuyau extérieur qui est en principe fixe, le dis- positif d'entraînement n'est pas soumis à des charges dans la direction axiale. On notera que même pour des dispositifs d'entraînement de trépans -de forage ne comportant aucune transmission réductrice, il est éga- lement avantageux de monter le système d'entraînement (turbine ou moteur à vis) dans un réduit rempli d'huile, et que ce système puisse prendre appui sur le tuyau extérieur non rotatif. Jusqu'à présent, dans les dispositifs connus, les roulements axiaux sont exposés au fluide de rinçage agressif et il était indispensable, pour protéger ces roulements, de veiller que les forces axiales, engendrées par le système d'entraînement, et la force opposée par le trépan soient sensible- ment équilibrées. Toutefois, de telles précautions sont difficiles à prendre lorsque le forage s'effectue notamment dans une couche géologique tendre, par ce que dans ces conditions, le système d'entraînement est soumis à une force axiale élevée, tandis que le trépan n'oppose qu'une pression réduite. Par contre, lorsque les roulements axiaux sont logés dans un espace étanche rempli d'huile, les deux forces axiales opposées peuvent être réglées de façon optimale, sans qu'il en résulte des inconvénients pour les roulements. Les éléments ressorts, destinés à étayer de façon élastique le tuyau intérieur portant le trépan, ainsi qu'hl-a réalisation possible d'un décalage axial relativement important dans la zone des roulements radiaux et la suspension élastique des roulements axiaux, permettent d'absorber tous les à-coups et toutes les vibrations en provenance du trépan, sans que pour autant la tenue axiale et radiale du trépan ne soient influencées négativement. Le dispositif de couplage, qui est disposé entre la section des roulements et l'entraînement, c'est-à-dire la boîte de transmission ou la turbine elle-même, garantit une liaison rigide avec l'axe d'entraînement et au- torise cependant une légère déviation axiale du tuyau intérieur portant le tré- pan, même lorsqu'il est soumis à des moments de rotation très élevés. Grâce à des chemins de roulements élargis des rouleaux de rou- lements, la qualité du maintien radial du tuyau intérieur est améliorée. Selon un des avantages du dispositif selon l'invention, il est possible, de façon relativement simple, d'adapter, sur le tuyau intérieur, des roulements axiaux pourvus d'un dispositif de compensation des charges, et de placer les éléments ressorts entre ce bloc ressort et des-butées montées sur le tuyau extérieur non rotatif. Toutefois, si les roulements axiaux ne devaient pas suivre le décalage axial du trépan et du tuyau intérieur, le groupe de roulements peut être fixé sur le tuyau extérieur, de sorte que les éléments ressorts prennent appui sur le tuyau intérieur. L'utilisation de ressorts à disques à plusieurs couches est particulièrement avantageuse, parce qu'il est possible de disposer les couches 2 479892 en contact les unes avec les autres ou de façon opposée. Par ce système multi- couche, on accroît la portance axiale et l'amortissement des frottements. Des ressorts de frottements, se présentant sous la forme de ressorts annulaires, constituent lesdits éléments ressorts et présentent, ou- tre l'effet d'amortissement, l'avantage d'avoir une capacité d'absorption très élevée et de pouvoir être très facilement logés dans un espace annulaire. C'est pourquoi leur utilisation s'adapte particulièrement bien à une réalisation en grande série. Si les ressorts à disques sont disposés en opposition, il se forme, entre les couches, des réduits à huile qui sont soumis à des réductions de volume en raison des charges qu'ils sont amenés à supporter, de sorte que l'huile soit refoulée d'un réduit vers les autres. L'agencement d'alésages constituant des étranglements ménagés dans une bague de pression, disposée en- tre les roulements axiaux et les ressorts à disques, permet encore de réduire et d'amortir les déplacements axiaux du trépan. Un dispositif de couplage, comportant des rainures axiales dans lesquelles sont disposées des billes de roulementsservant d'organes de couplage, permet une réalisation particulièrement simple et avantageuse, notam- ment lorsque ce dispositif de couplage comporte deux pièces annulaires coaxia- les respectivement intérieure et extérieure. Les rainures axiales ont un profil semi-circulaire et sont réparties le long de la ligne de séparation entre ces deux éléments annulaires. Outre le fait que ces rainures sont particulièrement faciles à réaliser, il est possible d'utiliser, comme éléments de roulements, de simples billes conventionnelles. Cette réalisation permet de réduire considérablement les per- tes dues aux frottements aussi bien radiaux qu'axiaux, de sorte que même pour des moments de rotation très élevés, le décalage axial peut être effectué très fa- cilement, ce qui a pour conséquence d'entraîner un fonctionnement sûr du dispo- sitif. Les à-coups du trépan, provenant des déplacements axiaux, ne peuvent pas être répercutés sur le dispositif de transmission et sur le dispositif d'entraî- nement. Le catalogue Hughes de 1976-1977 décrit un amortisseur égale- ment destiné à accroître la durée de vie et la sûreté du fonctionnement des dispositifs de forage. Cet amortisseur est toutefois destiné à être monté comme pièce intermédiaire entre le trépan et entre le train de tubes entraîné en surface par un dispositif d'entraînement, et permet de ce fait de diminuer la transmis- sion des à-coups du trépan sur le train de tubes. Toutefois, ce dispositif ne prend pas appui sur un tuyau extérieur non rotatif, et ne se prête par consé- quent pas à un dispositif d'entraînement direct du trépan. D'autre part, un 4. 5. 2479892 tel amortisseur complémentaire accroît la longueur du dispositif, ce qui cons- titue un inconvénient, notamment lors d'un forage directionnel. D'autres avantages et caractéristiques de la présente inven- tion apparaîtront plus en détail à la description d'un exemple de réalisation et du dessin annexé, dans lequel: La figure 1 (a-d) illustre une vue en coupe du dispositif d'entraînement du trépan de forage selon l'invention, La figure 2 représente la section de roulements présentant une autre disposition des roulements et des éléments ressorts, et La figure 3 représente le dispositif de couplage en coupeslon- gitudinale et transversale. En référence aux fig. 1 (a-d), le dispositif d'entraînement direct pour trépan de forage comporte une section d'entraînement 1, une sec- tion de transmission 2 (représentée partiellement) et une section de roulements 3. Entre les sections d'entraînement et de transmission se trouve un réservoir d'huile 4 relié par des canaux 43, avec un espace annulaire étanche à l'huile 11, 22, 36. Une pression différentielle, s'opposant à la pression ambiante dans le réservoir d'huile, est engendrée par le ressort de pression 42. Le volume de ce réservoir 4 doit être suffisant pour compenser toutes les pertes d'huile dans l'espace annulaire pendant le repos du trépan. Au moins un roulement axial 12 est disposé entre la section d'entraînement et la section de transmission, en plus du roulement radial in- dispensable 14. Par ailleurs, un dispositif de couplage 5 se trouve également dans l'espace annulaire, entre la transmission 2 et les roulements 3, ce dis- positif de couplage 5 comportant une bague extérieure 53 et une bague inté- rieure 54 avec des organes de roulements 52, disposés dans des rainures 51 mé- nagées dans ces bagues. Dans l'espace annulaire 36 de la section des roulements 3, les roulements radiaux 31 comportent des-chemins de roulements 31' intérieurs ou extérieurs, comportant des roulements axiaux 32 pourvus de dispositifs de compensation des charges 33 et des éléments ressorts 34 sous forme de ressorts à disques 35. Le trépan 61 est solidaire du tuyau intérieur 6. Si les ressorts à disques 35 sont disposés en opposition, leur empilement constitue des colonnes à ressorts telles que les surfaces coniques opposées des ressorts à disques délimitent des réduits 36 remplis d'huile. Lors de l'action des ressorts, l'huile est comprimée. Les disques surfacés des res- sorts à disques, soumis à des charges axiales importantes, empêchent tout re- foulement de l'huile comprimée. Cette huile doit s'évacuer entre la paroi du tuyau intérieur et les bords extérieurs des disques à ressorts. Une liaison en direction du réservoir dehuile est obtenue par des alésages 41 constituant des étranglements, ménagés entre une bague de pression 47 disposée entre les élé- 6. 2479892 ments de ressorts 34 et les roulements axiaux 32. Par ce moyen, l'huile peut s'écouler au travers des étranglements 41 lorsque les éléments de ressorts sont soumis à des compressions, l'écoulement de l'huile ayant pour effet d'amortir les déplacements de ces ressorts. Le mouvement de rotation de la section d'entraînement 1, cons- tituée par exemple par une turbine, s'effectue par l'intermédiaire d'un arbre 15, de préférence un arbre creux (tuyau intérieur) 13, auquel est couplée la roue d'entraînement centrale 24 dans la section de transmission 2 couplée par l'in- termédiaire d'un support de planétaire 21 avec la couronne extérieure 53 du dispositif de couplage 5. L'étayage de l'arbre 15, dont la partie inférieure ' est creuse, empêche, en liaison avec le roulement axial 12, une transmis- sion d'une force de cisaillement agissant axialement sous l'effet de la turbi- ne sur l'arbre creux 13, et par conséquent sur le dispositif de transmission 2. Cette section de la transmission est fixe selon une direction axiale. Simul- tanément, la turbine est elle-même déchargée de sa force de cisaillement axiale, ce qui a un effet bénéfique sur la longévité des roulements de la turbine. Dans la section des roulements 3, le tuyau intérieur 6, auquel est fixé le trépan 61, est relié à une pièce de construction 63 de forme tubu- laire, cette pièce comportant une partie supérieure de diamètre élargi consti- tuant la bague intérieure 54 du dispositif de couplage 5. En raison des surfaces de roulements élargies 31' des roulements radiaux 31 et du montage souple des roulements axiaux 32 dans l'unité de roulement 3, le tuyau intérieur 6 a la possibilité d'effectuer un déplacement axial relativement important, de sorte qu'une'part importante des secousses et des vibrations engendrées par le trépan sont amorties. Grâce à la coopération des éléments de roulements 52 et des gor- ges ménagées dans les bagues extérieure 53 et intérieure 54, le dispositif de couplage peut transmettre des moments de rotation très élevés, tout en permet- tant un décalage axial aisé de la tubulure intérieure 6. Le fluide de rinçage, qui constitue par exemple-également le fluide d'entraînement, circule d'abord par-dessus l'espace annulaire inté- rieur 16 qui entoure l'arbre d'entraînement 15. Au niveau du passage 17, o l'arbre 15 devient un arbre creux 15', sont prévues des ouvertures 18 au travers desquelles le fluide de rinçage peut être dirigé successivement vers les tuyaux intérieurs 13 et 6. Le décalage axial du tuyau intérieur 6 est compensé, dans le secteur correspondant au dispositif de couplage 5, par un tuyau intermédiaire 56 soumis à l'action d'un ressort 55, de sorte que le fluide de rinçage puisse traverser librement cette paroi. Le remplissage de l'espace annulaire étanche à l'huile 11, 22 36 s'effectue au travers d'une soupape 23 disposée entre l'espace annulaire 11 et 22. Après un remplissage complet de cet espace, les canaux 43 des réservoirs 7/* 2479892 d'huile 4 sont également remplis, de sorte que la pression ambiante de l'huile refoule le piston 44 entre l'action exercée par un ressort 42 agissant dans la section de l'entraînement 1. L'espace 45, contenant le ressort 42 du réservoir l'huile 4, est relié par l'intermédiaire de traversées 46 avec l'espace annu- laire 16, dans lequel circule le fluide de rinçage en direction du tuyau intérieur 6, de sorte que la pression statique du fluide de rinçage s'exerce également dans la chambre de ce ressort, en agissant sur le piston 44 du réservoir d'hui- le 4, de manière à engendrer une compensation des pressions et à décharger les joints soumis à la pression ambiante dans les alésages. La fig. 2 représente une variante des roulements et des élé- ments ressorts dans la section des roulements 3 (fig. 1). Tandis que sur les fig. lc et ld, les roulements axiaux 32, 32' se déplacent selon une direction axiale avec le tuyau intérieur 6, et que les éléments ressorts 34 prennent ap- pui sur le tuyau extérieur 7, cet étayage s'effectue par l'appui contre une bu- tée 62 solidaire du tuyau intérieur 6', et les roulements axiaux 32". sont en principe axialement fixés au tuyau extérieur 7'. La fig. 3 représente le dispositif de couplage 5' (fig.. l) de façon schématique. Des gorges, dont la longueur et le nombre peuvent être va- riés à volonté, sont obtenues par la réalisation d'alésages communs 51' dispo- sés entre les lignes de séparation des bagues extérieure 53' et intérieure 54', selon une direction axiale. Ces gorges permettent le déplacement axial aisé de la pièce 63' solidaire du tuyau intérieur, déplacement restant aisé même lors- que les contraintes sont très importantes. En outre, des billes 52' peuvent être logées dans les alésages 51' (une demi gorge semi-circulaire étant ména- gée dans la bague intérieure 'et la demi gorge semi-circulaire complémentaire étant ménagée dans la gorge extérieure), et plusieurs de ces alésages 51' peu- vent être disposés autour de la périphérie des bagues, de sorte que le disposi- 2B tif de couplage soit adaptable au couple de rotation destiné à être transmis. 2 2479892 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'entraînement direct pour trépan de forage, comportant une sec- tion d'entraînement, une section de transmission et une section des roulements, dans lequel tous les roulements, qui sont destinés à l'étayage axial d'une par- tie des roulements de la section d'entraînement, ainsi que tous les roulements des autres sections qui sont destinés à l'étayage radial et la transmission, sont logés dans un espace annulaire étanche à l'huile, disposé entre un tuyau extérieur non rotatif et plusieurs tuyaux intérieurs rotatifs disposés axialement à la suite les uns des autres, cet espace annulaire étant pourvu d'un réservoir d'huile, et le fluide de rinçage étant conduit entre les tuyaux intérieurs dispo- sés concentriquement>,vers le trépan qui est monté à l'extrémité du tuyau inté- rieur au niveau de la section des roulements, caractérisé en ce que l'espace an- nulaire (11), ménagé entre les sections d'entraînement (1) et de transmission (2), comporte des roulements axiaux (12) complémentaires, pour absorber les for- ces axiales qui prennent naissance dans la section d'entraînement (1), en ce que la section des roulements (3), située entre la section de transmission (2) et le trépan (61), comporte un couplage (5) rigide en rotation mais qui relie, avec une grande mobilité axiale relative, le tuyau intérieur (6) portant le trépan (61) à l'entraînement (21) de la section de transmission (2), en ce que la section de roulements (3) comporte des éléments ressorts (34), qui rendent pos- sible la compensation des forces axiales lors d'un déplacement axial du tuyau intérieur (6), et qui sont montés entre le tuyau extérieur (7) et le tuyau inté- rieur (6); des roulements à rouleaux (31) permettant un décalage axial relative- ment grand du tuyau intérieur (6) en vue de l'étayage radial; et des roulements à rouleaux (32, 32') équipés d'un dispositif (33) de compensation des charges, pour compenser les pressions axiales du trépan ou pour réaliser une suspension élastique du tuyau intérieur (6). 2. Dispositif d'entraînement direct pour trépan de forage, com- portant une section d'entraînement et une section de roulements, dans lequel tous les roulements qui sont destinésà l'étayage axial d'une partie des roule- ments de la section d'entraînement, ainsi que tous les roulements des autres sections, qui sont destinés à l'étayage radial, sont logés dans un espace annu- laire étanche à l'huile, disposé entre un tuyau extérieur non rotatif et plu- sieurs tuyaux intérieurs rotatifs et disposés axialement à la suite les uns des autres, cet espace annulaire étant pourvu d'un réservoir d'huile et le fluide de rinçage étant conduit entre les tuyaux intérieurs disposés concentriquement vers le trépan, qui est monté à l'extrémité du tuyau intérieur au niveau de la section des roulements, caractérisé en ce que l'espace annulaire (11), ménagé entre les sections d'entraînement (1) et de roulements(3), comporte des roule- 39 ments axiaux (12) complémentaires pour absorber les forces axiales qui prennent 8. 9. 2479892 naissance dans la section d'entraînement (1), en ce que la section des roulements (3), située entre la section d'entraînement (1) et le trépan (61), comporte un couplage (5) rigide en rotation, mais qui relie, avec une grande mobilité axiale relative, le tuyau intérieur (6) portant le trépan (61) avec le tuyau intérieur (13) constituant l'arbre de sortie de la section d'entraînement (1), en ce que la section des roulements (3) comporte des éléments ressorts (34) qui rendent possible la compensation des forces axiales lors d'un décalage axial du tuyau intérieur (6), ces éléments ressorts étant disposés entre le tuyau extérieur (7) et le tuyau intérieur (6); des roulements à rouleaux (31), permettant un décalage axial relativement grand du tuyau intérieur (6), en vue de son étayage radial; et des roulements à rouleaux (32, 32') équipés d'un dispositif (33) de compensa- tion des charges, pour compenser la pression axiale du trépan ou pour réaliser une suspension élastique du tuyau intérieur (6). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les roulements à rouleaux (31) comportent des chemins de roulements (31') intérieurs, respectivement extérieurs, pour l'étayage radial au niveau de la section des roulements (3). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que les éléments ressorts (34) sont montés dans la section des roulements (3) entre des butées (71) ménagées le long du tuyau exté- rieur (7) et des roulements à rouleaux (32), dans le but d'assurer l'étayage axial. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les éléments ressorts (34') sont montés dans la section des roulements (3') entre des butées (62) disposées sur le tuyau intérieur (6') et des roulements à rouleaux (32"), dans le but d'assurer l'étayage axial. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que les éléments à ressorts (34) de la section des roulements (3) sont constitués par des ressorts à disques (35) à plusieurs couches. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments ressorts (34'), dans la section des roule- ments (3'), sont constitués par des ressorts à disques (35') à plusieurs cou- ches, comportant des surfaces de contact coniques. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'espace annulaire (36) de la section des roule- ments (3) est pourvu d'étranglements (41), disposés entre les roulements axiaux (32) et les éléments ressorts (34). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que le couplage (5), disposé entre la section d'en- 10. 2479892 traînement (1) - axe de sortie (21) de la transmission (2), respectivement tu- yau intérieur (13) de la section d'entraînement (1) - et le tuyan intérieur (6), portant le trépan (61), comporte des organes de roulements (52) logés dans des rainures axiales (51). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le couplage (5') se compose d'une bague extérieure (53') et d'une bague intérieu- re coaxiale (54'), en ce que ces bagues comportent des alésages (51') disposés selon une direction axiale sur les lignes de séparation (57) de ces bagues, ces alésages périphériques constituant des rainures de section semi-circulaire dans les deux bagues, et en ce que des billes (52') constituent les organes de ll roulementsguidés par ces rainures.