Brevet FR2501776A1 — publié le 19820917

La présente i nvent i on conc e re, d'une man ière gé né raie, un équipemient de sondage et, en particulier, un stab il iseur dest iné à cent rer un train de tiges dans des puits de grand diamètre. Un procédé de forage de puits de grand diamètre de l'ordre de 1,2 à 4,5 mètres, comprend l'opération qui consiste à entraîner en rotation un trépan de gran- de dimension au moyen d'un train de tiges. Le train de tiges a normalement un diamètre nettement plus petit que Io celui du puits ou du trépan. Une poussée descendante est appliquée au trépan à l'aide de gros poids qui en- tourent le train de tiges et reposent sur la face supé- rieure du trépan. En raison d'une certaine flexibilité du train de tiges, ainsi que des espaces libres subsis- tant entre l'empilage de poids et la paroi du puits, les trépans ont tendance à dévier d'un parcours rectili- gne. Afin de limiter cette déviation et de maintenir la trajectoire du trépan, un stabiliseur est placé dans o l'empilage de poids, normalement à proximité du sommet de ce dernier. Un type de stabiliseur connu de la Deman- deresse comporte un moyeu ou un bâti cylindrique qui en- toure le train die tiges et est intercalé entre deux poids. A partir du moyeu central, s'étendent des bras radiaux aux extrémités extérieures desquels sont montés des rouleaux orientés verticalement pour entrer en con- tact par roulement avec la paroi du puits. Dans ce type de stahiliseur, on utilise, dans les rouleaux, des pa- llers antifrictions qui nécessitent une importante struc- S5) turc pour la lubrification et la protection contre le fluide de forage. De même, en raison de leur poids, les rouleaux nécessitent une lourde structure support et leur remplacement s'avère difficile. De plus, le con- tact intermittent ayant lieu entre les rouleaux à dépla- cernent rapide et la paroi du puits petit favoriser un dé- pouillement de cette paroi. Un stabiliseur non rotatif est illustré dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 12.277 déposée le 15 février 1979 aux noms de John M. Mullins et Joseph L. Kelly, Jr. Dans cette demande de brevet, la structure de l'appareil de centrage ne tourne pas avec le train de tiges. Elle comporte des patins qui viennent s'engager par friction sur les parois du puits lorsque le trépan s'écarte de sa position centrée. Ces patins sont supportés par un moyeu extérieur qui entoure un moyeu intérieur. Le moyeu intérieur est supporté ri- gidement par le train de tiges en vue de tourner avec ce dernier. Un palier intercalé entre le moyeu intérieur et le moyeu extérieur permet, à celui-ci et aux bras de l'appareil de centrage, de rester dans une position de non-rotation alors que le train de tiges tourne. Ce pa- lier est constitué d'un certain nombre de patins élas- tiques qui viennent s'engager par friction sur des cou- ronnes tronconiques supérieure et inférieure. Ces patins sont lubrifiés par le fluide contenu dans le puits. Bien que le dispositif décrit dans la demande de brevet précitée donne satisfaction, il pourrait être souhaitable de réduire la friction due au glissement en- tre les patins et les couronnes tronconiques dans le but de réduire la consommation du couple de forage disponi- *. b ie. Le stabiliseur de la présente invention est d'un type non rotatif. Il comporte un moyeu intérieur conçu pour être assujetti au train de tiges en vue de tourner avec ce dernier. Un moyeu extérieur entoure ce moyeu intérieur. Des éléments de centrage sont suppor- tés par le moyeu extérieur. Ces éléments de centrage s'étendent latéralement vers l'extérieur pour venir s'en- gager par friction sur la paroi du puits lorsque le tré- pan s'écarte de sa position centrée. Le palier interca- - lé entre les moyeux intérieur et extérieur est constitué d(le plusieurs rouleaux montés pour tourner sur un des moyeux et entrant en contact par roulelmllent avec l'autre moyeu. I)ans la forme de réalisation préférée, un jeu de rouleaux supérieurs vient s'engager sur une couronne tronconique supérieure, tandis qu'un jeu de rouleaux inférieurs vient s'engager sur une couronne tronconique infér ieure. Dans les dessins annexés: la figure 1 est une vue en coupe verticale par- tielle d'un stabiliseur suivant la présente invention, monté au-dessus d'un trépan de forage dont une partie est représentée en traits discontinus; la figure 2 est une vue par le dessus du stabi- liseur de la figure 1, le trépan de forage n'étant pas représenté; et la figure 3 est une vue en coupe verticale par- tielle du stabiliseur de la figure 2, prise suivant la ligne 111-111 de cette dernière. En se référant à la figure 1, un trépan à molet- tcs de grand diamètre l pour le forage sur terre est illustré au fond d'un puits 13. Ce trépan 11 est d'un type classique comportant plusieurs molettes coupantes montées à sa base. Chaque molette coupante 15 est rotative et comporte des rangées de dents en acier ou de pièces rapportées en carbure de tungstène destinées à dé- sagréger les formations géologiques. Plusieurs tuyères 17 sont montées à la base du trépan pour décharger le fluide de forage au fond du puits 13. Les molettes cou- pantes 15 et les tuyères 17 sont représentées en traits discontinus et tournées dans le plan de la coupe afin Su d'illustrer les distances qui les-séparent respective- ient du centre du trépan 11. ILe trépan 11 est relié à un train de tiges en vue de tourner avec ce dernier. Ce train comprend des sections de tige intérieure 19 montées dans des sec- i.s tions de tige extérieure 21. Un fluide qui est fréquenm- ment un mélange d'air et d'eau, est pompé à travers le 250 1776 4 - passage annulaire ménagé entre les tiges intérieure et extérieure pour aboutir dans une chambre de séparation 23. Comme indiqué par les flèches en figure 1, l'air et l'eau se séparent, l'air remontant dans le passage intérieur pour créer une circulation, tandis que l'eau est déchargée par les tuyères 17. L'eau déchargée par les tuyères 17 se combine avec l'eau descendant du puits 13, le courant combiné remontant dans la tige in- térieure 19 conjointement avec les déblais de forage. Plusieurs poids cylindriques 25 sont montés au- dessus du trépan pour y appliquer une force de coupe. Ces poids 25 sont réalisés en deux parties assemblées l'une à l'autre sur le train de tiges. Bien que deux de ces poids seulement soient représentés dans le dessin, dix poids ou plus sont parfois empilés dans le train de tiges. Un stabiliseur 27 est placé dans l'empilage de poids 25. Ce stabiliseur 27 peut être situé en n'impor- te quel point au-dessus du trépan ll et il est habituel- -'0 lement distant du fond du puits 13 d'une distance d'en- viron 1,5 à 15 mètres. Le stabiliseur 27 comporte des plaques d'adaptation supérieureet inférieure 29 et 31 qui entrent en contact avec les poids 25 au-dessus et en dessous du stabiliseur 27. Ce dernier comporte également un moyeu intérieur 33 qui est supporté entre les poids et entoure la tige extérieure 21. Le moyeu intérieur 33 est en métal et il comporte une paroi cylindrique dou- ble, à savoir une paroi cylindrique intérieure 33a et une paroi cylindrique extérieure 33b. Ces parois intérieure ?0 et extérieure 33a et 33b sont séparées l'une de l'autre, tout en étant fermées, au sommet et à la base, par des chapeaux annulaires qui y sont soudés. lin manchon ou un tube élastique 35 en caoutchouc ou une matière analogue est logé étroitement dans la pa- *{, roi intérieure 33a du moyeu intérieur. Ce tube élastique est disposé entre la paroi intérieure 33a du moyeu et la paroi extérieure de la tige extérieure 21. Un cylin- dre métallique de retenue 37 est également logé étroite- ment palr glissement dans la paroi intérieure 33a. (Ce cy- l indre de retenue 37 a les mêmes diamètres intérieur et S extérieur que le tube élastique 35 au-dessus duquel il est supporté. Une bague de retenue 39 est montée au- dessus du cylindre de retenue 37 au moyen de boulons. Un serrage de ces boulons a pour effet de faire descen- dre le cylindre de retenue 37 contre le tube élastique 35 pour déformer ce dernier entre la tige extérieure 21 et le moyeu intérieur 33, verrouillant ainsi ceux-ci l'un à l'autre. Ce dispositif par lequel le moyeu inté- rieur 33 du stabiliseur est assujetti au trépan, est illustré et décrit plus en détail dans la demande de bre- !5 vet précitée des Etats-Unis d'Amérique N 12.277 déposée le 15 février 1979 aux noms de John M. Mullins et Joseph I. Kelly, Jr. En se référant à la figure 3, le moyeu inté- rieur 33 comporte un élément de montage constitué d'une plaque tronconique supérieure 41 et d'une plaque de mon- tage tronconique inférieure 43. Vues en coupe transver- sale verticale comme illustré en figure 3, ces plaques 41 et 43 sont mutuellement perpendiculaires. Elles inter- sectent chacune l'axe vertical du trépan 11 sous un angle de 45 . Plusieurs tourillons ou broches d'appui 45 sont montés perpendiculairement à la plaque supérieure 41 en étant circonférentiellement équidistants. De la même ma- nière, plusieurs tourillons ou broches d'appui 47 sont montés perpendiculairement à la plaque inférieure 43 en étant espacés circonférentiellement. Un rouleau supérieur 49 est monté sur chaque tourillon 45, tandis qu'unrouleau inférieur 51 est monté sur chaque tourillon 47. Dans la forme de réalisation préférée, on prévoit huit rouleaux supérieurs 49 et huit rouleaux inférieurs 51. Tous les rouleaux 49 et 51 sont inclinés sous des angles de 45 par rapport à la verticale. Chacun des rouleaux 49 et 51 est monté sur son tourillon associé 45, 47 au moyen d'un palier étanche. Chaque rouleau 49, 51 a un diamètre net- tement supérieur à sa largeur. Un moyeu extérieur 53 est supporté- concentri- quemnent par le moyeu intérieur 33. Ce moyeu extérieur 53 comporte, sur sa face intérieure, une couronne tron- conique supérieure 55 qui, vue en coupe transversale verticale comme illustré en figure 3, est perpendiculai- re à la plaque de montage supérieure 41 du moyeu inté- rieur 33. Une couronne tronconique inférieure 57 est fixée en dessous de la couronne tronconique supérieure 55. Cette couronne-tronconique inférieure 57 est diri- gée vers le bas et vers l'intérieur, tandis que, vue en coupe transversale verticale, elle est perpendiculaire à la plaque de montage inférieure 43. Les rouleaux su- périeurs 49 entrent en contact par roulement avec la couronne tronconique supérieure 55, tandis que les rou- leaux inférieurs 51 entrent en contact par roulement avec la couronne tronconique inférieure 57. Les rou- ?0 leaux 49, 51 et les couronnes 55, 57 font office de pa- liers entre le moyeu intérieur 33 et le moyeu extérieur 53. Un élément de centrage est monté sur le moyeu extérieur 53 et s'étend latéralement vers l'extérieur pour venir s'engager par friction sur les parois du puits 13 lorsque le trépan s'écarte de sa position centrée. Dans la forme de réalisation préférée, cet élément de centrage comprend une couronne cylindrique 59 dont le diamètre est légèrement inférieur à celui du puits 13. La couronne de centrage 59 est concentrique par rapport au moyeu intérieur 33 et au moyeu extérieur 53 et elle est montée sur celui-ci à l'intervention de plusieurs bras 61. Comme le montre la figure 3, ces bras 61 ont une configuration en V et ils sont assujettis au moyeu extérieur 53 au moyen d'éléments de fixation tels que des broches ou des boulons 63. Lors de la mise en service, le stabiliseur 27 petit être assemblé en plaçant tout d'abord la plaque d'adaptation inférieure 31 sur un poids 25. Le moyeu intérieur 33 est ensuite placé par-dessus la plaque S d'adaptation 31. Le cylindre métallique de retenue 37 est serré contre le tube élastique 35 par la bague de retenue 39 jusqu'à ce que le moyeu intérieur 33 soit s e r r é sur le train de tiges. Le moyeu exté- rieur 53 sera supporté en place par les rouleaux supé- rieurset inférieurs49 et 51. La plaque d'adaptation supérieure 29 est ensuite placée sur la bague de retenue 39, tandis que des poids supplémentaires 25 est disposés par-dessus. Les poids 25 sont supportés par le moyeu intérieur 33, si bien que leur masse d'endommagera pas le palier prévu entre les moyeux intérieur et extérieur 33 et 53. Les bras 61 sont fixés au moyeu extérieur 53 au moyen de boulons 63. Lors de la mise en service, le moyeu intérieur 33, ainsi que les rouleaux supérieurs et inférieurs 49 et 51 seront entraînés en rotation avec le train de tiges, étant donné qu'ils sont verrouillés à ce dernier par le tube élastique 35. Si le trépan est centré, la couronne de centrage 59 n'entre pas en contact avec la paroi du puits 13. En revanche, si le trépan s'écarte de sa posi- tion centrée, la couronne de centrage 59 vient s'engager par friction sur la paroi du puits 13, permettant ainsi, au moyeu intérieur 33, de tourner par rapport au moyeu extérieur 53. EItant donné que la couronne de centrage 59 a uin diamètre légèrement inférieur à celui du puits 13, elle tournera de temps à autre sur une courte distan- ce. Toutefois, la texture irrégulière de la paroi du puits 13 et un léger défaut d'alignement empêcheront une importante rotation de la couronne 59. La présente invention offre des avantages impor- ) tants. ILes bras du stabiliseur et la couronne de centra- ge ne tournent pas avec le trépan,réduisant ainsi l'usure de la partie du stabiliseur qui entre en contact avec la paroi du puits. ln outre, les rouleaux roulant sur les couronnes tronconiques constituent un palier à faible résistance de frottement ne nécessitant qu'un faible cou- pie pour provoquer une rotation entre les moyeux inté- rieur et extérieur. Bien que l'invention ait été illustrée unique- ment par une de ses formes de réalisation, l'homme de métier comprendra qu'elle n'y est nullement limitée, étant entendu que diverses modifications peuvent y être apportées sans se départir de son esprit. Par exemple, les rouleaux pourraient être montés sur le moyeu exté- rieur, tandis que les couronnes tronconiques pourraient être montées sur le moyeu intérieur. 2 5 0 1 7 7 6 REIVENI) I CAT I ONS 1. Appareil en vue de centrer un train de ti- ges. de forage dans un puits, caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison: un moyeu intérieur (33) entourant le train de tiges; des éléments (35, 37, 39) destinés à monter le moyeu intérieur (33) sur le train de tiges en lui permet- tant de tourner avec ce dernier; un moyeu extérieur (53) entourant le moyeu inté- rieur (33); un élément de centrage (59) supporté par le moyeu extérieur (53)et s'étendant latéralement vers l'extérieur pour venir s'engager par friction sur une paroi du puits lorsque le train de tiges est décentré dans ce dernier; et plusieurs rouleaux (49, 51) montés avec possibilité de tourner sur un des moyeux et entrant en contact par roulement avec l'autre moyeu pour permettre, à ces moyeux, de tourner l'un par rapport à l'autre. 2. Appareil en vue de centrer un train de tiges dec forage dans un puits suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'un des moyeux (33) comporte une cou- ronne tronconique concentrique (59), tandis que les rou- leaux sont montés, avec possibilité de tourner, en une configuration circulaire sur l'autre moyeu (53), tout en venant s'engager par roulement sur cette couronne. 3. Appareil en vue de centrer un train de tiges de forage dans un puits suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'un des moyeux (53) comporte des cou- ronnes tronconiques supérieure (55) et inférieure (57) montées l'une au-dessus de l'autre, tandis que les rou- leaux comprennent: un jeu de rouleaux supérieurs (49) montés pour tour- ner sur des tourillons individuels en une disposition concentrique par rapl)port à l'autre moyeu (33) et entrant en contact par roulement avec la couronne tronconique supérieure (55); et un jeu de rouleaux inférieurs (51) montés pour tour- ner sur des tourillons individuels en une disposition concentrique, en dessous des rouleaux supérieurs (49), par rapport au même moyeu (33), ces rouleaux inférieurs entrant en contact par roulement avec la couronne infé- rieure (57). 4. Appareil en vue de centrer un train de tiges de forage dans un puits, caractérisé en ce qu'il com- prend, en combinaison: plusieurs rouleaux supérieurs (49) espacés circon- férentiellement et montés chacun pour tourner sur un tourillon dirigé vers le haut et vers l'extérieur; plusieurs rouleaux inférieurs (51) espacés circon- férentiellement et montés chacun pour tourner sur un tourillon dirigé vers le bas et vers l'extérieur; des éléments (33, 35, 37, 39) destinés à fixer les tourillons des rouleaux supérieurs et inférieurs (49,51) en une disposition concentrique autour de et par rapport au train de tiges pour leur permettre de tourner lorsque ce dernier est entraîné en rotation; une couronne tronconique supérieure (55) supportée concentriquement autour des rouleaux supérieurs (49) pour venir s'engager par roulement sur ceux-ci; une couronne tronconique inférieure (57) supportée concentriquement autour des rouleaux inférieurs (51) pour venir s'engager par roulement sur ceux-ci; et un élément de centrage (59) monté sur les couron- nries tronconiques supérieure et inférieure (55, 57) et s'étendant latéralement vers l'extérieur pour venir s'en- ( gager par friction sur la paroi du puits lorsque le train de tiges est décentré dans ce dernier. 5. Appareil en vue de centrer un train de tiges de forage dans un puits, cet appareil étant du type com- prenant un moyeu intérieur fixé au train de tiges pour tourner avec celui-ci, des couronnes tronconiques supé- rieure et inférieure entourant concentriquement le moyeu intérieur, ainsi qu'un éléimenit de centrage s'étendant latéralement vers l'extérieur à partir de ces couron- nes pour venir s'engager par friction sur la paroi du puits lorsque le train de tiges est décentré dans ce S dernier, caractérisé en ce qu'il comprend un palier per- fectionné monté entre le moyeu intérieur et les couron- nes, ce palier comprenant: plusieurs rouleaux supérieurs (49) montés concen- triquement en une disposition circulaire sur le moyeu intérieur (33) pour venir s'engager par roulement sur la couronne supérieure (55) et plusieurs rouleaux inférieurs (51) montés concen- triquement en une disposition circulaire sur le moyeu intérieur (33) en dessous des rouleaux supérieurs pour venir s'engager par roulement sur la couronne infé- rieure (57).