Brevet FR2510175A1 — publié le 19830128

La présente invention concerne un obturateur pour une coulisse à percussion hydraulique pouvant être insérée dans un train de tiges pour des forages pro- fonds, qui est constituée d'un fût dans lequel une broche est mobile dans le sens longitudinal et qui comprend une chambre formée entre la broche et le fût, obturée de manière étanche aux deux bouts, remplie d'un fluide de travail et présentant un étranglement et des zones de plus grand diamètre, étant entendu que cet obturateur, qui a la forme d'une virole guidée sur la broche, est mobile librement entre un épaulement d'obturation et une butée décalée axialement par rapport à cet épaulement et, que, lorsqu'il franchit l'étranglement dans un sens, il s'applique de manière étanche contre l'épaulement d'obturation et restreint le passage du fluide de travail par l'étranglement, tandis que lorsqu'il franchit l'étranglement dans l'autre sens, il permet, par formation d'un passage d'écoulement entre la broche et sa surface périphérique interne, le passage du fluide de travail par l'étran- glement. Lors de la réalisation de forages profonds, le trépan de forage ou des parties du train de tiges de forage peuvent se coincer dans le sol Il est possible de débloquer le train de tiges au moyen d'une coulisse à percussion qui, dans des formations dans lesquelles le train de tiges est sujet à coincement, est insérée, par précaution, dans le train de tiges Une coulisse à percussion est un outil télescopiquement extensible ou rétractable, constitué de manière générale d'une broche et d'un fût présentant des butées stables pour les positions d'extrémité des deux éléments Elle comporte, en outre, une chambre remplie d'un fluide de travail hydraulique qui présente un étranglement et des zones de plus grand diamètre Lors d'un déplacement d'exten- sion du fût et de la broche, un obturateur présent dans la chambre doit franchir l'étranglement, ce qui force r le fluide de travail à passer par des canaux étroits ou par un espace annulaire présent entre l'obturateur et le fût Le temps nécessaire à cet effet est utilisé pour, par une traction ultérieure sur le train de tiges, mettre ce dernier sous contrainte et emmagasiner de l'énergie de ressort Si l'obturateur a franchi l'étranglement, le train de tiges de forage peut se détendre, auquel cas l'énergie de ressort est convertie en énergie cinétique jusqu'à ce que les surfaces de l O Y butée-de la broche et du fût entrent en collision En raison de la masse ainsi freinée du train de tiges de forage, des coups puissants se produisent et peuvent assurer le déblocage des éléments bloqués plus bas. Il s'est avéré que le temps nécessaire à l'obturateur pour franchir l'étranglement est soumis à des variations très importantes Ainsi, d'une part, on a déterminé des temps pour lesquels le personnel de forage devait attendre jusqu'à 30 minutes le déclenche- ment du coup, ce qui n'était pas tolérable du point de vue économique et, d'autre part, il est arrivé que l'obturateur franchissait l'étranglement si rapidement qu'il n'était pas possible de stocker de l'énergie de ressort La cause des variations importantes du retard ou délai est surtout due à la viscosité du fluide de travail qui dépend de la température, lorsque la coulisse à percussion est utilisée à des profondeurs différentes L'invention a donc pour but de réaliser un obturateur pour une coulisse à percussion d'une manière telle que les effets des variations de viscosité dépendant de la température du fluide de travail sur le retard soient compensés Ce but est réalisé par un obturateur dont la virole est constituée au moins de deux parties disposées coaxialement l'une dans l'autre, qui ont des coefficients de dilatation thermique différents et qui forment entre elles un passage d'écoulement dont les caractéristiques d'étranglement dépendent de la température et qui debouche par des ouvertures et des évidements dans la partie extérieure du fût, dans une surface d'about située à l'extérieur de l'épaulement d'obturation, -et la partie extérieure est appliquée de manière étanche, dans la zone de l'étranglement, contre la paroi du fût. L'obturateur est dans ce cas formé d'une virole en deux parties coaxiales montée sur la broche, qui, lors d'un déplacement d'extension de la broche et du fût, s'appuie contre un épaulement d'obturation de la broche et est en contact étanche avec la paroi du fût dans la zone d'un étranglement Un passage d'écou- lement servant à faire dévier le fluide de travail est formé entre les surfaces périphériques tournées l'une vers l'autre des deux parties de la virole qui sont engagées l'une dans l'autre. Des coefficients de dilatation thermique différents de la partie interne et de la partie externe de la virole permettent, lors d'une élévation de la température, d'augmenter la résistance efficace à l'écoulement pour le passage du fluide de travail. D'autres formes d'exécution avantageuses de l'invention sont indiquées dans les revendications 2, 3 et 4. Une forme d'exécution de l'invention sera expliquée ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig 1 est une vue en coupe de l'ensemble de l'outil; la Fig 2 est une vue en perspective, en partie en coupe, de la virole sur la broche dans la zone de l'étranglement; la Fig 3 est une vue, à plus grande échelle, d'un détail indiqué sur la Fig 1, et la Fig 4 illustre une fonction du retard sur la température tracée a) pour une coulisse à percussion équipée d'un montage conforme à l'invention, et b) pour une coulisse à percussion comportant une virole d'une seule pièce sans compensation thermique. La coulisse à percussion représentée sur la Fig 1 est constituée d'une broche i et d'un fût 2 qui peuvent coulisser télescopiquement l'un dans l'autre. La broche et le fût portent respectivement à leur extrémité externe un embout fileté 3 et une douille taraudée 4 au moyen desquelles la coulisse à percussion peut être insérée dans un train de tiges de forage. Dans la position d'attente, la broche et le fût sont rentrés l'un dans l'autre Pour l'exécution d'une course de percussion, la broche et le fût sortent l'un de l'autre jusqu'à ce qu'une butée 5 sur la broche heurte un épaulement de percussion 6 du fût Entre la broche et le fût est formée une chambre 8 qui est limitée axialement par un joint d'étanchéité fixe 9 et par un joint d'étanchéité coulissant 10 La chambre 8 est remplie d'un fluide de travail hydraulique et présente un étranglement 1 l ainsi que des zones supé- rieure et inférieure 12, 23 de plus grand diamètre, la zone supérieure 12 déterminant une distance de percus- sion libre et représentant une zone à haute pression pour les conditions de pression du fluide de travail pendant le retard et la zone inférieure 23 représentant une zone de pression plus basse La broche porte un épaulement d'obturation 13 et, entre cet épaulement et la butée 5 mentionnée plus haut, qui en est axialement décalée, est disposée une virole 14 guidée de manière à pouvoir se deplacer librement Lorsque la virole 14 franchit l'étranglement Il de haut en bas, elle s'ap- plique contre la butée 5 et forme un passage d'écoule- ment par l'intermédiaire d'encoches radiales 15 tail- lees dans sa face d'about supérieure et d'un espace intermédiaire prévu entre sa surface périphérique interne et la broche Au passage de l'étranglement ll de bas en haut, ce passage d'écoulement est cependant supprimé par application du côté de la virole 14 tourné vers l'épaulement d'obturation contre cet épaulement d'obturation 13 Le passage d'écoulement est alors limité à un espace intermédiaire entre deux parties de la virole 14 engagées coaxialement l'une dans l'autre, comme le montre la Fig 2. Pendant le retard précédant une course de percussion, la virole 14 est appliquée contre l'épaule- ment d'obturation 13 et obture ainsi de manière étanche le passage d'écoulement entre la broche 1 et la virole 14 qui est dû au profil angulaire 20 de la broche dans la zone comprise entre la butée 5 et l'épaulement d'obturation 13, par comparaison avec la paroi interne cylindrique de la virole La virole 14 comporte une partie extérieure 16 et une partie intérieure 17, la partie intérieure ayant un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la partie extérieure La surface périphérique externe 18 de la partie extérieure 16 est en majeure partie cylindrique et se rétrécit ensuite de manière conique dans sa section supérieure 19 Dans cette zone se trouvent aussi les encoches radiales 15 qui-, lorsque la virole est appliquée contre la butée 5, permettent au fluide de travail de passer dans l'espace prévu entre la virole et la broche La zone cylindrique de la partie externe 16 est, du point de vue de son diamètre, adaptée au diamètre de l'étran- glement 11 d'une manière telle qu'un passage du fluide de travail entre la surface extérieure de la virole et l'étranglement ne soit pas possible ou soit du moins si faible qu'on puisse le négliger par comparaison avec le volume du passage souhaité La zone inférieure de la partie externe présente une ou plusieurs lumières 21 qui s'ouvrent dans des rainures axiales 22 qui, pour leur part, débouchent dans la surface d'about infé- rieure de la partie externe et établissent ainsi une communication entre l'espace intérieur de la partie externe 16 et la zone à basse pression 23 de la chambre 8. Dans la partie externe 16 est disposée coaxia- lement la partie interne 17 qui est guidée sur la broche par sa surface cylindrique interne Dans la zone inférieure 24, la partie interne 17 est appliquée contre la partie externe 16 et forme à cet endroit un ajustage à pression qui garantit une étanchéité sire. Dans la zone des lumières radiales 21 de la partie externe 16, la surface périphérique de la partie interne est décalée vers l'arrière et forme, avec la partie externe, un espace annulaire 25 Plus haut, la partie interne se rapproche à nouveau du point de vue diamètre de la partie externe et s'amincit finalement de façon conique en 26 vers le haut pour former un interstice annulaire qui va en s'élargissant progressi- vement par rapport à la partie externe. Une gorge hélicoïdale 27 taillée dans la surface périphérique de la partie interne part de l'espace annulaire 25 et s'étend sur la zone conique 26 de la partie interne, cette gorge ayant la forme d'un pas de vis La profondeur de cette gorge 27 illustrée sur la Fig 3 qui est une vue de détail de la Fig 2, diminue à mesure que le diamètre du cône décroît. Alors que, aux températures peu élevées, un interstice-annulaire continu jusqu'à l'espace annulaire est présent entre la partie intérieure conique 26 et la partie extérieure 16, cet interstice est fermé par dilatation de la partie interne lors d'une élévation de la température Le fluide de travail doit alors s'écou- ler par la dernière spire du pas de vis Lors d'une élévation de température supplémentaire, des zones de la partie interne situées de plus en plus haut, vien- nent s'appliquer contre la partie externe D'autres spires de la goige hélicoïdale sont ainsi séparées l'une de l'autre, de sorte que le fluide de travail doit parcourir un trajet d'écoulement ou de passage étroit de plus en plus long Son effet d'étranglement, qui croit à mesure que sa longueur augmente, est opposé à la viscosité décroissante du fluide de travail La 2510-175 diminution de la profondeur de la gorge hêlicoidale a en outre pour effet de diminuer sa section du passage d'écoulement, ce qui accroît encore l'effet d'étrangle- ment Une conception correspondante de la forme conique de la partie interne et de la profondeur de la gorge permettent de compenser dans un large domaine les effets de la viscosité en fonction de la température du fluide de travail. La Fig 4 illustre finalement le retard du déclenchement d'une course de percussion en fonction de la température pour a) un prototype expérimental du système conforme à l'invention, et b) une coulisse à percussion hydraulique sans compensation de tempéra- ture La linéarisation du comportement du système conforme à l'invention est clairement mise en évidence. R E V E N D I C A T I O N S 1. Obturateur pour une coulisse à percussion hydraulique pouvant être insérée dans un train-de tiges pour des forages profonds, qui est constituée d'un fût dans lequel une broche est mobile dans le sens longitu- dinal et qui comprend une chambre formée entre la broche et le fdt, obturée de manière étanche aux deux bouts, remplie d'un fluide de travail et présentant un étranglement et des zones de plus grand diamètre, étant entendu que cet obturateur, qui a la forme d'une virole guidée sur la broche, est mobile librement entre un épaulement d'obturation et une butée décalée axialement par rapport à cet épaulement et que, lorsqu'il franchit l'étranglement dans un sens, il s'applique de manière étanche contre l'épaulement d'obturation et restreint le passage du fluide de travail par l'étranglement, tandis que lorsqu'il franchit l'étranglement dans l'autre sens, il permet, par formation d'un passage d'écoulement entre la broche et sa surface périphérique interne propre, le passage du fluide de travail par l'étranglement, caractérisé en ce que la virole ( 14) est constituée au moins de deux parties ( 16, 17) disposées coaxialement l'une dans l'autre, qui ont des coefficients de dilatation thermique différents et qui forment entre elles un passage d'écoulement ( 27) dont les caractéristiques d'étranglement dépendent de la température, et qui débouche par des ouvertures ( 21) et des évidements ( 22) dans la partie extérieure ( 16) du fût ( 14), dans une surface d'about située à l'extérieur de l'épaulement d'obturation ( 13), et la partie exté- rieure ( 16) est appliquée de manière étanche, dans la zone de l'étranglement ( 11), contre la paroi ( 2) du fût. 2 Obturateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la partie interne ( 17) de la virole ( 14) présente un coefficient de dilatation thermique supérieur à celui de la partie externe ( 16), au moins une des surfaces périphériques ( 26) tournées l'une vers l'autre de la partie interne et de la partie externe est conique pour former un interstice de section cunéiforme qui se rétrécit lorsque la tempéra- ture augmente. 3. Obturateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la partie interne ( 17) est conique et sa surface périphérique conique ( 26) tournée vers la partie externe ( 16) présente une gorge hélicoï- dale ( 27) dont les spires individuelles sont séparées les unes des autres, lorsque la température augmente, par contact des surfaces de la partie interne et de la partie externe qui sont tournées l'une vers l'autre. 4 Obturateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la profondeur de la gorge héli- coldale ( 27) diminue à mesure que le diamètre du cône de la partie interne ( 17) décroît, de telle sorte qu'à un allongement du trajet du passage d'écoulement s'ajoute une diminution de sa plus petite section.