Brevet FR2488955A1 — publié le 19820226

1. La présente invention concerne un nouvel ensemble de paliers et de joints étanches pour supporter des arbres tournants dans des dispositifs actionnés hydrauliquement, tels qu'un dispositif de forage de puits de pétrole. Des dispositifs actionnés hydrauliquement pour ef- fectuer un travail tel qu'un forage de puits, un percement de terrain, un pompage, un découpage de métaux ou d'autres matières solides et des opérations de martelage ou de fraisa- ge, effectuées aussi bien au-dessus de ou dans l'eau, utili- sent normalement un arbre tournant ou, dans certains cas, un arbre à mouvement alternatif de translation, l'arbre étant monté dans un carter et étant supporté par des paliers de butée en vue de l'entraînement du trépan de forage ou d'un autre outil. Les paliers sont de préférence lubrifiés par une matière lubrifiante autre que les matières ambiantes utilisées pour entraîner l'arbre, par exemple la boue de forage classi- quement utilisée pour entraîner un moteur placé en fond de trou et actionnant un trépan de forage. Lorsqu'on utilise un lubrifiant tel que de la graisse, l'étanchéité des paliers lubrifiés pour empêcher une infiltration de matières étrangè- res, et également de boue de forage ou d'un autre fluide transporté, constitue un problème difficile et co teux à ré- soudre. Bien que des lubrifiants nouvellement mis au point et qui résistent à un écoulement d'eau soient utilisables d'une manière limitée,. de même que des matières et conceptions de joints améliorées, les joints d'étanchéité sont co teux et forment un système d'étanchéité fragile, excepté peut-être lorsqu'on a affaire à des écoulements de fluides exempts d'a- brasifs et très lubrifiants. On a constaté au total que la du- rée de service des paliers et des joints était limitée, leur durée de service étant habituellement de l'ordre de 100 heu- res ou moins en fonction des substances contaminantes rencon- trées. Une solution efficace des problèmes précités, ainsi que des problèmes posés par les fuites au travers des joints et des zones lubrifiées, consiste à remplacer l'ensemble classique des paliers lubrifiés à joints aux deux extrémités par un système "anti-traversée" dans lequel il ne peut pas se produire par infiltration un écoulement de fluide s'éta- 2. blissant indépendamment des baisses de pression entre les joints dans une direction ou dans l'autre en éliminant par lavage les lubrifiants et en introduisant des matières étran- gères. De tels agencements "anti-traversée" font intervenir le maintien de pressions équilibrées sur les côtés opposés des joints et, bien qu'on ait essayé de tels systèmes, ils n'ont pas donné satisfaction du fait de l'impossibilité de maintenir des pressions équilibrées dans les joints en cours de marche. Il en résulte que ces agencements ont une courte durée de service et n'ont pas résolu le problème fondamental de l'augmentation de la durée de service des paliers et de leurs joints d'étanchéité. Au contraire, la présente invention concerne un nou- vel ensemble de paliers hermétique dans lequel les paliers sont placés dans des chambres étanches qui emprisonnent le lu- brifiant et qui s'opposent efficacement à une infiltration de substances contaminantes dans les chambres, ce qui se traduit par une forte amélioration de la durée de service et par une réduction des dépenses de remplacement. Conformément à la présente invention, les paliers sont montés dans une ou plusieurs cuvettes annulaires qui sont fixées sur le carter entourant l'arbre tournant, les pa- liers étant maintenus dans la cuvette à l'aide d'un support inséré dans la cuvette, ce support de paliers étant claveté sur l'arbre de façon à tourner avec lui. Les joints de paliers s'étendent entre le support de paliers et les bordures oppo- sées de la cuvette annulaire. Avec cet agencement, les joints sont en contact étanche seulement avec les bordures de la cu- vette et il ne s'établit pas de contact avec l'arbre tournant ou bien d'exposition directe à un fluide s'écoulant axiale- ment le long de l'arbre. Chaque cuvette est étroitement garnie d'un lubrifi- ant, tel qu'une graisse aux silicones, qui présente une bon- ne imperméabilité à l'eau. Puisque les joints sont en contact étanche seulement avec les bordures de la cuvette, des fluides externes et des substances contaminantes ne peuvent pas pas- ser au travers des joints du fait de la présence du lubrifi- ant qui, comme il est étroitement compacté, est théoriquement incompressible. En conséquence, dans le cas du forage d'un 3. puits, une baisse de pression due à un échappement de fluide à partir du moteur hydraulique et par l'intermédiaire de 1'- arbre creux ou bien du fait de l'action hydraulique des bu- ses de trépan lorsqu'elles étranglent de façon variable l'é- coulement de fluide lorsque la roche est découpée en mor- ceaux, et également lorsqu'il se produit des contre-pressions provenant de temps à autre de l'anneau de travail, ne provo- que pas d'infiltration dans les zones de paliers ou même un écoulement de fluide au travers des espaces entre joints du fait que les joints sont isolés du trajet suivi normalement par l'écoulement fluidique. En outre, les joints d'étanchéité sont supportés par un lubrifiant et en conséquence ils main- tiennent leur intégrité quand ils entrent en contact avec 1'- écoulement fluidique passant au travers du carter. Même lors- que les joints sont usés, la contamination du lubrifiant s'- effectue lentement du fait que la graisse est essentiellement imperméable à l'eau. Le système de paliers hermétiques selon l'invention permet également de contrôler une fuite s'effec- tuant autour de la partie extérieure de l'arbre en vue du re- froidissement des parties internes du système par établisse- ment d'intervalles appropriés de jeu entre l'arbre et le car- ter en vue de permettre l'écoulement du fluide. Bien qu'il ne soit pas recommandé de dériver excessivement du fluide de fo- rage car cela diminuerait la puissance hydraulique disponible au trépan pour forer le terrain, on peut utiliser un palier d'arbre du type marine jouant le rôle d'un organe de limita- tion de fuite qui sert également de contre-appui à mesure que les paliers métalliques s'usent. L'ensemble de paliers selon l'invention est agencé de façon à être commodément monté et démonté et, dans ce but, chaque support de paliers est pourvu d'une clavette poussée par ressort et agencée pour s'engager dans une rainure corres- pondante prévue dans l'arbre, la configuration de la clavette et de la rainure étant telle que la clavette soit écartée de la rainure lorsqu'il se produit un incident au cours du dé- montage de l'arbre par rapport au carter. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux des- 4. sins annexés dans lesquels: la fig. 1 est une vue schématique d'une partie d'un derrick de forage, montrant comment les différentes parties sont assemblées, le tubage de forage supportant un arbre tournant et un carter utilisant l'ensemble de paliers hermé- tiques conforme à la présente invention, la fig. 2A est une vue en élévation latérale, avec des parties indiquées en vue arrachée, de façon à montrer un ensemble de paliers hermétique conforme à la présente inven- tion et monté à une extrémité d'une partie d'un carter dans lequel est monté à rotation un arbre creux, la fig. 2B est une continuation de la fig. 2A, mon- trant l'ensemble de paliers hermétique qui est placé à l'ex- trémité opposée, ou de fond de trou, du carter. En considérant d'abord la fig. 1 qui montre l'ap- plication de la présente invention à un derrick de forage classique destiné à effectuer des opérations de forage de sol, le derrick 1 comporte une table tournante 2 entraînée par une source d'énergie (non représentée) par l'intermédiaire d'un engrenage conique 3. Une barre polygonale d'entraînement 4 traverse la table tournante 2 et est clavetée sur celle-ci, cette barre supportant des longueurs de tube de forage 5. On a indiqué en 6 un dispositif d'alimentation en boue de fora- ge, cette boue étant pompée à l'aide d'une pompe 7 par l'in- termédiaire d'un conduit 8 de façon à arriver à un émerillon 9 placé à l'extrémité supérieure de la barre d'entraînement 4, la boue de forage s'écoulant vers le bas au travers de cet- te barre pour pénétrer dans le tube de forage 5. Un moteur de fond de trou a été indiqué schématiquement en 10, ce moteur étant logé dans un carter 11 fixé sur le tube de forage, ce carter contenant également un arbre creux de forage.12 qui est monté à rotation dans la zone inférieure du carter. Lors de son passage dans le moteur, la boue de forage s'écoule vers le bas au travers de l'arbre creux de façon à être dé- chargée par l'intermédiaire du trépan de forage 13. En fonc- tionnement, la barre d'entraînement 4 est utilisée pour le montage et le démontage des tronçons de tube de forage dans le tubage de forage et on peut l'utiliser pour faire tourner lentement le tube de forage en cours de forage avec le moteur 5. de fond de trou 10 afin d'empêcher de la boue de pénétrer dans l'anneau entourant le tube de forage, la table tournan- te et la barre d'entraînement étant également utilisées en cours de forage pour commander le couple de réaction du mo- teur de forage. L'ensemble de paliers hermétique selon l'invention est conçu pour le montage de l'arbre de forage 12 à l'inté- rieur du carter il mais il va de soi que l'ensemble de pali- ers selon l'invention est utilisable dans d'autres applica- tions o un arbre est monté à rotation par rapport à un car- ter environnant, indépendamment de celui des deux éléments qui est agencé pour tourner par rapport à l'autre. En référence aux figures 2A et 2B o des parties i- dentiques ont été désignées par des références numériques i- dentiques (et o la direction du haut est à gauche sur les figures), on voit que les ensembles de paliers prévus aux extrémités opposées du carter Il sont identiques mais inver- sés, le carter 11 étant vissé par son extrémité supérieure sur une partie adjacente d'un carter dans lequel est monté le moteur de fond de trou 10. L'extrémité supérieure de l'arbre creux de forage 12 est vissée sur une tête d'entraînement 14 (fig. 2A) par l'intermédiaire de laquelle l'arbre 12 est en- trainé en rotation par le moteur. La tête d'entraînement s'- appuie sur une rondelle compressible 15 qui coopère, grâce à une série d'organes d'espacement entourant l'arbre 12, avec une douille 16 placée à l'extrémité inférieure de l'arbre (fig. 2B), cette douille étant destinée à recevoir le trépan. La douille 16 comporte à son extrémité supérieure un épaule- ment 16a qui sert à l'empilage des organes d'espacement en contact avec l'arbre par rapport à la rondelle compressible quand l'arbre est vissé sur la tête d'entraînement. Un écrou 17 entoure l'extrémité inférieure de l'arbre de forage 12 et comporte un embout fileté- 17a qui entre en contact avec l'ex- trémité distale ou inférieure du carter Il o il sert de siè- ge pour l'ensemble de paliers. Le carter Il comporte à son extrémité opposée ou supérieure, un siège 18 comme le montre la fig. 2A. Ce siège 18 coopère avec l'embout 17a pour main- tenir l'ensemble de paliers. L'ensemble de paliers est ainsi contenu dans le carter entre l'écrou formant siège 17 et le 6. siège 18, les différents éléments étant empilés à l'intéri- eur du carter en utilisant une série d'organes d'espacement qui agissent de façon à maintenir les éléments en position, l'écrou 17 exerçant une force axiale qui pousse l'ensemble au contact du siège 18. Conformément à la présente invention, les paliers sont logés dans des chambres annulaires 19 qui sont chacune définies par des voiles annulaires 20, 21, le voile 20 com- portant vers le haut un prolongement latéral 20a définissant une rainure annulaire 22 dans laquelle sont logées les bil- les 23, qui sont positionnées de façon à agir comme un palier de butée axiale. Des rouleaux 24 s'appuient sur le voile 21 et servent de palier de butée radiale. Les voiles 20, 21 for- mant la chambre sont fixes par rapport au carter 11 et ils n'entrent pas en contact avec l'arbre de forage 12. Les ensembles de billes et rouleaux 23 et 24 sont maintenus à l'intérieur de la chambre à l'aide d'un support annulaire de palier 25 qui définit une voie intérieure de roulement, ce support comportant une rainure annulaire 26 dans laquelle les billes 23 sont reçues et une surface cylindrique de palier 27 en contact avec les rouleaux 24. Le support de palier 25 comporte un prolongement annulaire 25a qui est fixé sur l'arbre de forage 12 par l'intermédiaire d'une clavette 28 poussée par ressort et qui est engagée dans une rainure 29 ménagée dans l'arbre de forage 12, la clavette étant logée dans un évidement 30 prévu dans le prolongement 25a. Le sup- -port de palier 25 est par conséquent fixé sur l'arbre 12 et il tourne avec celui-ci. La clavette poussée par ressort 28 facilite également le montage et le démontage des parties du fait que, quand l'arbre 12 est déplacé axialement, des surfa- ces incurvées 31 prévues aux extrémités opposées de la rainu- re 29 agissent comme des surfaces de came de manière à dépla- cer la clavette 28 vers l'intérieur en opposition à la com- pression de son ressort, ce qui dégage la clavette de la rai- nure en cours de démontage. Pendant le montage, le ressort pousse la clavette dans la rainure quand les parties sont correctement alignées. Les chambres 19 sont fermées par des séries de ba- gues d'étanchéité 32 et 33 qui sont montées sur les côtés op- 7. posés du support de palier 25, les bagues d'étanchéité 32 é- tant positionnées de façon à entrer en contact avec le voile qui définit une bordure de la chambre annulaire 19, tandis que les bagues d'étanchéité 33 sont en contact avec un organe annulaire d'espacement 34 qui est placé dans une position im- médiatement adjacente au voile 21 et qui définit une partie de la bordure opposée de la chambre 19. De préférence, les joints d'étanchéité sont formés de Teflon, bien qu'on puisse utiliser d'autres matières connues dans le domaine des bagues d'étanchéité; il est possible de modifier, si nécessaire, le nombre des bagues d'étanchéité intervenant dans chaque jeu. On voit que les bagues d'étanchéité sont positionnées de fa- çon à fermer efficacement les bordures intérieures et extéri- eures de la chambre 19 et que les ensemble de billes 23 et de rouleaux 24 sont logés à l'intérieur du contour de la chambre scellée. Les chambres sont remplies d'un lubrifiant qui est imperméable à l'eau, comme une graisse aux silicones. Le lu- brifiant est introduit dans chaque chambre sous pression par l'intermédiaire d'un raccord de graissage 35 qui communique avec la chambre par l'intermédiaire du carter 11. De préféren- ce les raccords de graissage 35 sont disposés par paires de façon qu'un vide puisse être exercé dans la chambre par l'in- termédiaire d'un des raccords et que du lubrifiant sous pres- sion soit introduit par l'intermédiaire d'un autre raccord, ce qui permet d'obtenir un remplissage complet de la chambre avec du lubrifiant de manière que le lubrifiant soit essen- tiellement incompressible. L'ensemble de paliers est par con- séquent efficacement scellé d'une manière s'opposant à toute traversée, notamment à une infiltration de boue de forage et d'autres substances contaminantes. Il est à noter que, bien que l'écoulement principal de la boue de forage se fasse par l'intermédiaire de l'arbre creux de forage 12, il est néanmoins souhaitable d'établir des fuites autour de la zone extérieure de l'arbre 12 en vue de refroidir certaines parties. Dans ce but, et en référence à la fig. 2A, de la boue de forage s'écoule entre le carter 11 et la tête d'entraînement 14, comme indiqué par les flé- ches A. Un intervalle de jeu approprié est ménagé entre le 8. voile 20 formant la chambre 19 et l'arbre de forage, par e- xemple à l'aide d'un organe d'espacement 36, en vue de per- mettre un écoulement de fluide, cet écoulement passant dans des conduits 37 ménagés dans le prolongement annulaire 25a dusupport de palier afin d'arriver dans la zone intermédi- aire située entre les ensembles de paliers supérieur et infé- rieur. Cette zone intermédiaire est essentiellement d'une construction classique et elle comprend un voile 38 qui est interposé entre l'arbre 12 et un palier 39 du type marine qui comporte une garniture 40 en matière élastomère fixée dans un boîtier porteur 41, le voile 38 servant à protéger l'arbre 12 et jouant également le rôle d'un organe d'espacement pour le palier 39 du type marine. Ce palier du type marine est fonda- mentalement un palier classique utilisé pour supporter l'ar- bre d'une hélice de bateau mais, dans ce cas, les rainures axiales ménagées dans la garniture 40 sont calibrées pour é- trangler un écoulement de fluide au lieu de laisser passer un écoulement de fluide de lubrification, et la garniture élas- tomère 40 joue par conséquent le rôle d'un organe d'étrangle- ment d'écoulement. Le corps de palier 41 est soutenu en arriè- re par un organe d'espacement 42 qui vient s'appliquer par son extrémité supérieure contre l'organe d'espacement 34 et il est soutenu à son extrémité opposée ou inférieure par un organe d'espacement 43 qui vient buter contre l'organe d'espacement 34 faisant partie de la chambre inférieure, comme le montre la fig. 2B. La configuration de l'organe élastomère d'étran- glement d'écoulement 40 est telle que du fluide s'écoule a- xialement le long de- l'organe d'étranglement jusque dans la poche de palier complètement inférieure, l'écoulement pro- gressant par l'intermédiaire des conduits 37 ménagés dans le prolongement annulaire 25a du support de palier puis dans le passage existant entre le voile 20 formant la chambre et le support de palier en vue de se décharger finalement par l'ex- trémité complètement inférieure du carter 11. Il est à noter que, en cours de marche, un écoulement à contre-courant peut être engendré lorsqu'il se produit des reflux en cours de fo- rage, auquel cas du fluide s'écoule momentanément dans la di- rection opposée. On peut placer en différents endroits des bagues 9. toriques d'étanchéité de types classiques, par exemple entre les différents organes d'espacement et les parties avec les- quelles ils sont en contact, lesdites bagues toriques étant désignées par la référence 44. Essentiellement, ces bagues toriques d'étanchéité sont utilisées entre des éléments qui ne tournent pas l'un par rapport à l'autre. Dans le mode de réalisation représenté, l'empilage des parties est complété par un organe d'espacement 45 qui vient buter contre le siège 18, bien que cet organe 45 puisse être solidarisé du siège, mais au prix d'un usinage plus coûteux. On voit par conséquent que le système selon l'in- vention permet d'obtenir un ensemble de paliers scellés dans lequel les éléments de paliers sont efficacement placés her- métiquement dans des chambres ou cavités d'une manière qui empêche efficacement une infiltration de matières étrangères et une élimination du lubrifiant des paliers par lavage. L'- emplacement des ensembles de paliers par rapport au trajet d'écoulement du fluide s'oppose efficacement à des baisses de pression et remédie aux inconvénients créés par des joints d'étanchéité qui sont placés dans le trajet d'écoulement du fluide. Les joints de palier entrent en contact et coopèrent avec les bordures opposées des chambres de paliers au lieu de s'appliquer contre l'arbre et l'agencement est tel que les parties peuvent être commodément démontées en vue d'une répa- ration et d'un remplacement. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux e- xemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'in- vention. Par exemple, dans le mode de réalisation représenté les billes de palier 23 et les rouleaux de palier 24 sont lo- gés dans les parties étanches des carters. Puisque les rou- leaux de palier exercent seulement un support radial et sont soumis à des forces relativement petites et par conséquent à une usure minimale, il est possible de les placer à l'exté- rieur des zones hermétiques des poches, en inversant les em- placements des rouleaux de palier et des joints adjacents 33, ce qui permet la lubrification des rouleaux de palier par la boue de forage, à la place de la graisse de lubrification. Un 10. tel agencement se traduit par un alignement des séries de joints 32 et 33 sur les côtés opposés de la cuvette et amé- liore encore l'intégrité des joints. Il est évident qu'on peut remplacer les billes et rouleaux libres des paliers par des roulements à billes ou rouleaux à cage et que les voies de roulement de ces organes peuvent être pourvues de pièces rapportées remplaçables qu'on peut changer lorsqu'elles sont usées, au lieu d'avoir à remplacer l'ensemble de la voie de roulement. 11. REVENDICATIONS 1. Ensemble de paliers hermétique pour monter àX ro- tation un arbre dans un carter concentrique entourant l'ar- bre, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre annulaire (19) fixée sur ledit carter, ladite chambre comportant une paroi de fond et des parois latérales opposées des organes de palier (23, 24) logés dans ladite chambre, un support de pa- lier (25) de forme annulaire, positionné dans ladite chambre de façon à maintenir ledit palier en contact avec les parois de ladite chambre, des moyens de fixation (25a, 28, 29) assu- rant la liaison dudit support de palier avec l'arbre et des moyens d'étanchéité (32, 33) interposés entre le support de palier et les parois latérales opposées de ladite chambre, manière que le carter et l'arbre (12) soient montés à rotation l'un par rapport à l'autre et qu'un lubrifiant de palier puis- se être scellé dans ladite chambre. 2. Ensemble de paliers selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'étanchéité comprennent des jeux de bagues d'étanchéité (32, 33) espacées les unes des autres et en contact avec chacune des parois opposées de ladi- te chambre. 3. Ensemble de paliers selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'étanchéité comprennent des bagues d'étanchéité en Teflon. 4. Ensemble de paliers selon l'une des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation comprennent une clavette (28) montée sur ledit support de pa- lier et s'engageant dans une rainure ménagée dans ledit arbre. 5. Ensemble de paliers selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite clavette est poussée par ressort dans ladite rainure et en ce que la clavette peut être sortie de ladite rainure par déplacement de l'arbre. 6. Ensemble de paliers selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite clavette et ladite rainure sont profilées de façon à former des surfaces de came agissant de manière à faire sortir la clavette de la rainure quand l'ar- bre est déplacé axialement par rapport au carter. 7. Ensemble de paliers selon l'une des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits organes de palier 12. comprennent des billes (23) qui s'appuient sur la paroi de fond de ladite chambre (19). 8. Ensemble de paliers selon la revendication 7, caractérisé en ce que la paroi de fond de ladite chambre est profilée de façon à définir une rainure annulaire (22) dans laquelle s'appuient lesdites billes de palier, ledit support de palier comportant une rainure annulaire coopérante (26) qui est en contact avec les côtés opposés desdites billes de palier. 9. Ensemble de paliers selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est prévu des rouleaux (24) de palier interposés entre une paroi latérale de ladite chambreet ledit support de palier, ce support de palier comportant une surfa- ce cylindrique qui entre en contact avec lesdits rouleaux. 10. Ensemble de paliers selon l'une des revendica- tions 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend dans ledit carter un graisseur (35) en communication avec ladite-chambre pour introduire du lubrifiant dans celle-ci. 11. Ensemble de paliers selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il est prévu une paire de graisseurs (35) espacés l'un de l'autre et communiquant avec ladite cham- bre de manière qu'un vide puisse être établi dans la chambre par l'intermédiaire d'un des graisseurs et que du lubrifiant sous pression puisse être introduit sous pression par l'inter- médiaire de l'autre graisseur pour remplir complètement la chambre de lubrifiant. 12. Ensemble de paliers selon l'une des revendica- tions 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est associé à un second ensemble de paliers d'une structure semblable, lesdits ensem- bles de paliers étant placés aux extrémités opposées dudit carter et dudit arbre et en ce qu'il est prévu des organes d'étranglement d'écoulement qui entourent l'arbre entre les- dits ensembles de paliers. 13. Ensemble de paliers selon la revendication 12, caractérisé en ce que le carter et l'arbre comportent chacun à une extrémité un siège fixe et à l'extrémité opposée un siè- ge réglable et en ce que lesdits ensembles de paliers et les- dits moyens d'étranglement d'écoulement sont empilés dans le carter et sur l'arbre entre lesdits sièges. 13. 14. Ensemble de paliers selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits ensembles de paliers sont posi- tionnés de manière que les fonds des chambres soient dirigés vers les extrémités adjacentes du carter. 15. Ensemble de paliers selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il est prévu des organes d'espacement en et association avec lesdits ensembles de paliers/avec lesdits moyens d'étranglement d'écoulement.