Brevet FR2497868A1 — publié le 19820716

La présente invention concerne d'une façon générale les ensembles formant palier et joint d'étanchéité pour arbre tournant, et elle a trait plus particulièrement à un ensemble formant palier et joint d'étanchéité pour arbre tournant, qui est agencé pour travailler dans des conditions très difficiles, telles que celles pouvant être rencontrées, par exemple, lors de l'utilisation de l'ensemble en combinaison avec un moteur de forage en fond de trou. Les moteurs de forage en fond de trou sont utilisés pour actionner le trépan de forage pendant certaines opérations de forage de puits, par exemple lorsque la direction de forage d'un puits doit être modifiée assez brusquement et avec préci- sion en vue d'atteindre un objectif désiré dans une formation de terrain. Des moteurs de ce genre sont généralement actionnés par circulation d'un fluide de forage, couramment appelé "boue de forage", qui est pompé à partir de la surface et vers le bas dans la tige de forage o le fluide sort par des buses ou aju- tages prévus dans le trépan de forage, puis revient en surface par l'intermédiaire de l'intervalle annulaire existant entre la paroi du trou foré et la tige de forage. Bien entendu, le fluide lubrifie et refroidit le trépan et entraîne des morceaux de roche découpés pour les faire sortir du puits. Les moteurs de forage se présentent sous diverses formes, par exemplesous la forme de turbines, de dispositifs à palettes tournantes et de moteurs "Moineau". Cependant, toutes les conceptions connues n'ont pas une très longue durée de service du fait des condi- tions extrêmement difficiles rencontrées en cours de marche. Un facteur essentiel produisant une rupture prématurée consis- te en ce que le fluide de forage, même après avoir été filtré en surface, contient de petites particules rocheuses abrasives qui provoquent une usure rapide de différentes parties du mo- teur, en particulier les paliers et joints d'étanchéité d'ar- bres tournants qui existent typiquement dans un tel moteur. Le problème rencontré avec tous les moteurs entraînés par flui- des du type défini ci-dessus consiste en ce que la chute de pression dans les buses du trépan a pour effet que la boue de forage entraînant des particules rocheuses qui passe à travers 2 2497868 le moteur pénètre dans les joints d'étanchéité et les paliers, ce qui conduit à une abrasion et à une usure des surfaces d'étanchéité ainsi qu'à un endommagement des éléments propre- ment dits. Naturellement la rupture d'un joint d'étanchéité ou d'un palier peut rendre le moteur de forage essentiellement; inefficace pour la poursuite des opérations de forage d'un puits du fait de la fuite rapide de fluides vers l'intervalle annu - laire, ce qui se traduit par une diminution de la puissance, et même par un grippage de l'arbre, de sorte que le moteur ne peut plus fonctionner pour entraîner efficacement le trépan de fo- rage (ou même ne l'entraîne plus du tout). Lorsqu'il se pro- duit une panne, l'opération de forage doit être arrêtée et les tiges de forage ainsi que le moteur doivent être sortis du puits afin que le moteur puisse être remplacé ou réparé, ce qui se traduit par une opération longue, et par conséquent coûteuse. L'entretien d'ensembles de paliers et de joints d'é- tanchéité d'arbres tournants a toujours crée un problème diffi- cile à résoudre qui a limité l'utilisation de moteurs de fora- ge en fond de trou comme outils efficaces de forage de puits. L'invention a pour objet de résoudre d'une nouvelle manière le problème défini ci-dessus. La présente invention fournit un ensemble formant joint d'étanchéité et palier pour arbre tournant, qui est con- çu pour travailler dans des conditions très difficiles comme celles pouvant être rencontrées, par exemple, dans des opéra- tions de forage de puits faisant intervenir un moteur à fond de trou. Conformément à la présente invention, il est prévu un appareil comprenant un premier et un second élément qui peu- vent tourner l'un par rapport à l'autre, ainsi qu'un moyen structural tel qu'un joint d'étanchéité ou un palier qui est placé entre lesdits éléments et qui est agencé pour opérer dans un environnement lubrifié. Un manchon fixé sur un des é- léments précités est construit et agencé de façon à délimiter une ou plusieurs chambres annulaires qui sont initialement gar- nies de lubrifiant, par exemple d'une graisse appropriée dont la mise en pression est assurée par le fluide de forage. La graisse et la boue de forage sont empêchées de se mélanger du 3 2497868 fait de la différence entre leurs densités. Une des chambres constitue un séparateur centrifuge qui refoule vers l'extérieur les particules solides en suspension dans la boue, et un épau- lement dirigé vers l'intérieur et placé à l'extrémité supérieu- re de la chambre retient les particules et empêche leur pro- gression en direction des joints et des paliers. En conséquence, ces composants sont isolés des particules abrasives en suspen- sion dans le fluide de forage, ce qui augmente la durée de ser- vice des joints et des paliers et ce qui empêche un moteur de forage de tomber en panne. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins an- nexés sur lesquels: Fig. 1 est une vue schématique d'une opération de fo- rage de puits faisant intervenir un moteur de forage en fond de trou; Fig. 2A à 2D sont des vues en coupe longitudinale, avec des parties en élévation latérale, d'un moteur de forage en fond-de trou qui comporte des ensembles d'étanchéité et de lubrification de paliers qui sont agencés conformément à la pré- sente invention. Fig. 3 est une vue d'un détail à plus grande échelle de la fig. 2D. Sur la Fig. 1, on a représenté un trou 10 qui est en train d'être foré à l'aide d'un trépan Il fixé sur l'arbre de sortie 12 d'un moteur de forage, désigné dans son ensemble par 13. L'extrémité supérieure du moteur est fixée sur l'extrémité inférieure du tubage de forage 14, qui peut comporter des mas- ses-tiges lourdes permettant d'appliquer un poids désiré à un trépan, un raccord coudé pour commander la direction de forage du trou, et une tige de forage s'étendant vers le haut jusqu'en surface. Pendant des opérations typiques, de la boue de forage est pompée vers le bas au travers du tubage de forage 14 de ma- nière à passer à travers le moteur 13 et à assurer son entrai- nement, puis elle sort, par l'intermédiaire de buses prévues dans le trépan 11 pour revenir en surface en transportant les déchets de coupe. En surface, le fluide de forage est filtré 4 2497868 à l'aide d'un "crible à secousse" ou d'un appareil semblable et on peut le laisser séjourner dans une fosse à boue pendant un certain temps de manière à enlever la plus grande quantité possible de particules rocheuses ou de déchets de coupe. En- suite, le fluide est pompé vers le bas dans la tige de forage 14 de manière à établir une circulation essentiellement conti- nue. Bien qu'on puisse utiliser différentes techniques de fil- trage et de sédimentation pour enlever le maximum de particu -- les rocheuses, les spécialistes en la matière reconnaissent qu'il n'est pas possible en pratique d'enlever totalement tou- tes les particules précitées, et qu'il subsiste dans le courant de boue une certaine proportion de solides entraînés. Les Fig. 2A à 2D montrent certains détails de struc- ture de la présente invention et on voit qu un carter tubulaire 20 est fixe par son extrémité supérieure sur le tubage de fora- ge à l'aide d'un filetage 21 et qu'il est pourvu d'un passage central 22 pour l'écoulement du fluide de forage. Bien qu'on puisse utiliser, comme mentionné ci-dessus, différents types de structures de moteurs, une source d'énergie appropriée com- prend des pales de stator 23 qui sont fixées à l'intérieur du carter 20, tandis que des pales de rotor 24 associées sont mon- tées sur un arbre 25 pouvant tourner dans le carter autour de son axe longitudinal. Du fait qu'un moteur du type-turbine cons- titue intrinsèquement un moteur à rotation angulaire relative- ment rapide, et puisque le trépan Il doit être entraîné en ro- tation à une vitesse angulaire bien inférieure pour empêcher son endommagement, on peut utiliser un réducteur de vitesse 27. Ce réducteur de vitesse 27 est d'une construction connue et fait intervenir un mécanisme à train planétaire, tel que celui décrit dans le brevet U.S. 2 937 008 et qui est disponible dans le commerce. En conséquence, il est inutile de le décrire en - détail dans la suite. L'arbre de sortie 28 du réducteur de vitesse 27 est accouplé par des cannelures 2P ou des parties semblables à l'ar- bre de sortie 30 du moteur de forage 13. L'arbre 30 peut être formé de plusieurs sections et il sort de l'extrémité inférieu- re du carter 20 o un boîtier fileté 31 sert à fixer l'embout du trépan de forage 11. Le courant de boue, après être sorti 2497868 de la turbine, passe par des orifices 32 (Fig. 2B) de manière à pénétrer dans un volume annulaire intérieur 33 existant en- tre le carter 20 et l'arbre 28, puis il passe par des orifi- ces 34 pour pénétrer dans l'évidement intérieur 35 de l'arbre de sortie 30. Différents ensembles de paliers, tels que des paliers de butées 37, 38 et des paliers radiaux 39, 40, 41, assurent la stabilisation des arbres tournants dans le carter et absorbent les charges axiales et radiales qui sont exer- cées en cours de marche du moteur 13. On a désigné par 45 sur la Fig. 2B un premier ensem- ble d' étanchéité lubrifié selon la présente invention. Un élé- ment tubulaire 46 qui est monté à l'extrémité supérieure du réducteur de vitesse 27 et à l'intérieur duquel tourne l'arbre de turbine 25, porte à son extrémité supérieure un ensemble d'étanchéité 47. Cet ensemble d'étanchéité 47 comprend des bagues en matière élastomère 48 d'une structure appropriée, qui sont fixées à l'intérieur d'un chapeau de retenue 49 et qui s'appliquent de façon étanche contre une surface d'étanchéi- té correspondante 50 de l'arbre 25. Le rotor est pourvu d'un manchon de retenue 51, dirigé vers le bas, qui entoure l'élé- ment 46 et qui s'étend vers le bas le long de ce dernier. Le manchon de retenue 51 est pourvu d'évidements annulaires supé- rieur et inférieur 52, 53, lesdits évidements ainsi que les régions 54, 55 situées immédiatement au-dessus et en dessous du joint 48 étant remplis d'un lubrifiant approprié, par exem- ple une graisse relativement lourde. Un intervalle annulaire d'espacement 56 est ménagé entre l'extrémité inférieure du man- chon 51 et la section adjacente de l'élément 46 en vue de per- mettre l'application de la pression de la boue de forage au lubrifiant. Lorsque le manchon 51 tourne avec le rotor de la turbine, du fluide de forage pénétrant dans la cavité inférieu- re 53 est obligé de tourner à un certain degré du fait des for- ces de frottement s'exerçant entre le fluide et l'élément tour- nant, et ce mouvement de rotation provoque une centrifugation des particules solides contenues dans le fluide vers l'exté- rieur de la cavité 53. Une collerette 57, dirigée vers l'in- térieur, du manchonarrête le mouvement de montée des particu- les solides et les empêche de pénétrer dans 1' évidement 6 2497868 supérieur 52, qui contient également du lubrifiant. En consé- quence, l'ensemble d'étanchéité 45 est maintenu dans un envi- ronnement optimal pendant une longue durée de service. On a représenté sur la Figure 2C un autre ensemble d'étanchéité d'arbre tournant qui met en pratique les princi- pes de la présente invention. Dans ce cas, l'ensemble d'étan- chéité, désigné par 60, comprend une bague de retenue 61 qui s'appuie sur un épaulement 62 du carter et qui est appliquée contre celui-ci par un ressort 63, par exemple une rondelle Belleville ou un organe semblable. La bague 61 porte des joints d'étanchéité 64 qui entrent en contact avec une surface exté- rieure d'étanchéité 65 de l'arbre de sortie 30 du moteur afin d'empêcher une fuite de fluide. Un ensemble à manchon de rete- nue comprend un manchon intérieur 66 qui est monté sur le car- ter 20 par l'intermédiaire d'une rondelle élastique 67 ou d'un organe semblable ainsi qu'un manchon extérieur 68 qui est por- té par l'arbre de sortie 30 et qui tourne par conséquent avec lui. Des chambres supérieure et inférieure 70, 71, qui sont formées dans le manchon 68, sont garnies de graisse, de même que la zone 72 situées au- dessus de l'extrémité supérieure du manchon 68, la zone annulaire 73 existant entre le manchon et la paroi intérieure du carter, et la zone 74 située au-dessus de l'ensemble d'étanchéité 64. Des intervalles annulaires d'es- pacement 75 à 77 sont ménagés entre les manchons 66 et 68 en vue de la transmission de la pression de la boue de forage. A mesure que la graisse s'use en cours de marche du moteur 13, de la boue de forage pénétrant par l'intermédiaire de l'inter- valle inférieur d'espacement 77 dans la chambre 71, est mise en rotation dans celle-ci sous l'effet du frottement fluidique. En conséquence, les particules solides sont propulsées vers l'extérieur de la chambre 71 et sont arrêtées par la collerette 78, dirigée vers l'intérieur, du manchon 68, en étant empêchées de se déplacer en direction des joints d'étanchéité 64. Une séparation est maintenue entre le fluide de forage et la graisse du fait de la différence entre les densités (la graisse est et plus légère/par conséquent flotte sur la boue de forage), de sorte que l'ensemble d'étanchéité 64 est maintenu dans un en- vironnement optimal. L'ensemble d'étanchéité 64 est soumis, sur son côté supérieur, à la pression engendrée par le fluide de forage au cours du fonctionnement du moteur 13. Conformément à une autre caractéristique de la présente invention, cette pression est également exercée sur le côté inférieur par l'intermédiaire d'un ou plusieurs orifices radiaux 80 qui traversent la paroi de l'arbre de sortie 30, comme indiqué sur la Figure 2D, de manière à faire communiquer le trou 81 de l'arbre avec la zo- ne annulaire 82 existant entre la surface extérieure de l'ar- bre et les parois intérieures du carter 20. De cette manière, les pressions s'exerçant sur les côtés opposés de l'ensemble d'étanchéité 64 sont essentiellement équilibrées.afin d'empê- cher un mouvement de la boue de forage chargée en débris en direction du joint d'étanchéité dans une direction ou dans l'autre. Un manchon de retenue 83, qui est fixé par un fileta- ge 84 sur le carter 20, comporte des chambres supérieure et in- férieure 85, 86 remplies de graisse, des intervalles d'espace- ment 87, 88, 89 et des épaulements 90, 91 dirigés vers l'inté- rieur prévus comme décrit ci-dessus pour les autres modes de réalisation de la présente invention. De la boue de forage pé- nétrant dans les intervalles d'espacement à mesure que le lu- brifiant est usé en cours de marche du moteur est entraînée en rotation avec l'arbre 30 et les particules rocheuses entraînées sont alors séparées par centrifugation et propulsées vers l'ex- térieur de la chambre 86 o elles sont arrêtées dans leur mou- vement de montée par la collerette 90. Conformément à une autre caractéristique de la pré- sente invention, il peut être avantageux de laisser pénétrer une fuite légère et contrôlée dans le volume annulaire de flui- de de forage passant dans les orifices d'égalisation de pression 80. Comme le montre la Fig. 2D, et comme cela est représenté de façon plus détaillée sur la Fig. 3, des plaques 90 et 91, formées d'un matériau métallique dur, tel que du carbure de tungstène sont disposées entre et fixées à l'aide d'une bra- sure ou d'un moyen semblable sur la surface extrême supérieure 92 du raccord 31 et sur une face extrême inférieure 93 du car- ter 20. Comme l'étanchéité entre les plaques 90, 91 n'est pas assurée à l'aide d'une bague ou d'un organe semblable, il 8 2497868 existe un trajet permettant l'établissement d'une fuite légère ou nominale qui se traduit par une limitation de la pression d'entraînement en rotation, de sorte que la puissance du mo- teur de forage 13 n'est pas considérablement réduite, tandis qu'il se produit une égalisation de pression au niveau de l'en- semble d'étanchéité 64. Lors du fonctionnement, les éléments sont assemblés comme indiqué sur les dessins, et de la graisse est injectée dans les différentes chambres et zones par l'intermédiaire d'organes appropriés (non représentés). Ensuite, le moteur de forage 13 sur l'arbre de sortie 31 auquel est fixé le trépan de forage Il est accouplé à -l'extrémité inférieure de la tige de forage 14 et il est descendu dans le puits 10. Quand le tré- pan Il atteint le fond du trou foré, la circulation de la boue de forage est amorcée et l'arbre de turbine 25 commence à tour- ner et à entraîner avec lui l'arbre de sortie 30, 31 et le trépan par l'intermédiaire du réducteur de- vitesse 27. Lorsque la graisse qui lubrifie les joints d'étanchéité est usée en cours de fonctionnement du moteur 13, les particules solides se trouvant dans le courant de boue de forage pénétrant dans les chambres à garnissage de graisse sont séparées par centri- fugation et sont empêchées d'atteindre les joints d'arbre. En conséquence, les joints fonctionnent dans un environnement lu- brifié et exempt de particules, ce qui permet de résoudre le problème affectant par le passé les joints d'étanchéité et ré- duisant leur durée de service. Les ensembles de joints et paliers lubrifiés pour ar- bres décrits ci-dessus peuvent être utilisés dans des moteurs de forage en fond de trous de la plupart des types connus et ils ne sont pas limités à une.utilisation en combinaison avec une ne source d'énergie du type turbine. Les ensembles/sont également pas limités à une application à un moteur de forage en fond de trou, mais ils peuvent être employés d'une façon générale avec tout outil opérant en fond de trou ou tout autre appareil o l'entretien d'un palier ou d'un joint d'étanchéité d'arbre tournant posait un problème par le passé. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux mo- des de réalisation décrits ci-dessus, qui peuvent faire l'objet de nombreuses variantes. 9 2497868 REVENDICATIONS 1. Appareil agencé pour être utilisé dans un puits, comprenant un premier et un second élément qui peuvent tourner l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens structuraux placés entre lesdits éléments et agencés pour opérer dans un environnement lubrifié, une chambre conte- nant un lubrifiant pour assurer la lubrification desdits moyens structuraux, un moyen pour soumettre ledit lubrifiant à la pres- sion de-fluide régnant dans le puits et un séparateur centrifu- ge agissant sous l'effet de la rotation d'un desdits éléments pour séparer et emprisonner des particules solides contenues dans le fluide en vue d'empêcher ainsi une contamination du lu- brifiant par lesdites particules solides. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le séparateur est formé par un manchon qui est monté sur un desdits éléments, ledit manchon comportant des surfaces de parois délimitant un évidement annulaire et un épaulement, diri- gé vers l'intérieur, prévu à l'extrémité supérieure dudit évidement. 3. Appareil agencé pour être utilisé dans un puits, comprenant un premier élément pouvant tourner par rapport à un second élément caractérisé en ce qu'il comprend des moyens struc- turaux prévus entre lesdits éléments et agencés pour opérer dans un environnement lubrifié, un manchon monté sur le premier élé- ment et définissant en partie une chambre contenant un lubrifiant servant à lubrifier lesdits moyens structuraux, un moyen pour soumettre le lubrifiant à la pression de fluide régnant dans le puits et un séparateur centrifuge agissant sous l'effet de la rotation du premier élément et du manchon pour séparer et retenir des particules solides contenues dans le fluide en vue d'empê- cher ainsi pratiquement une contamination du lubrifiant par les- dites particules solides. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le séparateur est formé par un évidement prévu dans le manchon placé en dessouSde ladite chambre, ledit manchon compor- tant un épaulement dirigé vers l'intérieur et situé à l'extré- mité supérieure dudit évidement. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit moyen soumettant le lubri- fiant à la pression de fluide comprend un passage s'étendant 2497868 au delà dudit épaulement. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit manchon entoure ledit second élément. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier élément et le manchon sont montés à l'inté- rieur du second élément. 8. Appareil agencé pour être utilisé dans un puits comprenant un premier élément pouvant tourner par rapport à un second élément caractérisé en ce qu'il comprend des moyens structuraux prévus entre les éléments et agencés pour opérer dans un environnement lubrifié, un manchon monté sur le second élément et définissant en partie une chambre contenant un lu- brifiant servant à lubrifier lesdits moyens structuraux, un moy- en pour soumettre le lubrifiant à la pression de fluide régnant dans le puits et un séparateur centrifuge agissant sous l'effet de la rotation du premier élément et du manchon pour retenir des particules solides contenues dans le fluide en vue d'empê- cher ainsi pratiquement une contamination du lubrifiant par lesdites particules solides. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit séparateur est formé par un évidement annulaire et un épaulement, dirigé vers l'intérieur, placé à l'extrémité du- dit évidement. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit moyen soumettant le lubrifiant à la pression du fluide régnant dans le puits comprend un intervalle annulaire d'espacement existant entre l'épaulement et le premier élément. 11. Appareil pour moteur de forage en fond de trou, lequel appareil comporte des éléments tubulaires pouvant tour- ner relativement et dont l'un est fixé sur la tige de forage tandis que l'autre est fixé sur un trépan de forage, caracté- risé en ce qu'il est prévu entre les éléments des moyens struc- turaux agencés pour opérer dans un environnement lubrifié, une chambre destinée à contenir une graisse ou un produit sembla- ble pour lubrifier lesdits moyens structuraux, un moyen pour permettre à des fluides de forage de puits de passer au tra- vers des éléments en vue de mettre en pression ladite chambre, et un séparateur centrifuge réagissant à une rotation relative il 2497868 des éléments pour séparer et retenir des particules solides en suspension dans le fluide de forage en vue d'empêcher ainsi une contamination du lubrifiant par lesdites particules solides. 12. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que lesdits moyens structuraux com- prennent un joint d'étanchéité pour empêcher une fuite de fluide. 13. Appareil selon l'une quelconque. des revendica- tions 1 à 11, caractérisé en ce que lesdits moyens structuraux comprennent des paliers servant à supporter les éléments en vue de permettre leur rotation relative. 14. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour égaliser prati- quement les pressions de fluide régnant sur les côtés opposés dudit joint d'étanchéité. 15. Appareil selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits moyens d'égalisation comprennent des orifices s'étendant au travers de la paroi dudit autre élément et com- muniquant avec une région située entre lesdits éléments et placée en dessous dudit séparateur. 16. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un passage adjacent à l'extrémité inférieure de ladite région pour permettre une fuite d'une quan- tité nominale de fluide de puits vers l'anneau. 17. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit passage est disposé entre des plaques d'usure pouvant entrer en contact l'une avec l'autre et montées sur lesdits éléments, lesdites plaques d'usure étant formées d'une matière résistant à l'érosion.