Brevet FR2517356A1 — publié le 19830603

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, à un dispositif d'entraînement de fond de puits monté au voisinage de l'extrémité d'un train de tiges pour entraîner un trépan de fora- ge afin de former un trou de sonde pendant le forage de puits de pétrole et de gaz et elle a trait, plus particulièrement, à un accouplement à désaccouplement rapide pour l'arbre de sortie d'un tel dispositif d'entraînement. Les dispositifs d'entraînement de fond de puits sont bien connus dans la technique du forage de puits de gaz et de pétrole et ils sont particuliè- rement utiles dans des situations, telles que le forage directionnel, dans lesquelles il est préférable que le train de tiges soit maintenu stationnaire pendant que le trépan tourne Le dispositif d'entraînement est emprisonné dans un carter tubulaire, qui renferme son rotor et son stator et qui est assemblé par vissage à une autre partie tubulaire du carter, laquelle enferme les paliers de butée et les paliers radiaux qui portent la partie tournante par l'intermédiaire de moyens de transmission interposés Du fait des dimen- sions limitées du trou de sonde, les carters des dis- positifs d'entraînement ont rarement un diamètre supé- rieur à 30,50 cm et leur diamètre est habituellement de l'ordre de 15,25 à 20,30 cm Les diamètres limités réduisent les possibilités de conception interne du dispositif d'entraînement et des paliers, ce qui a pour résultat que le dispositif d'entraînement est axiale- ment allongé pour pouvoir avoir une puissance suffisan- te pour entraîner le trépan de forage en rotation Du fait de la longueur axiale, il est normalement néces- saire d'utiliser des joints filetés dans le carter du dispositif d'entraînement en plus des joints utilisés dans les ensembles d'arbre de transmission, pour facili- 17356 ter la fabrication ainsi que les réparations et l'en- tretien sur le chantier de forage. Pour la facilité de l'assemblage, il est souhaitable que l'arbre de transmission à l'intérieur du carter soit muni d'un accouplement rapide ou de moyens de raccordement coulissants pour faciliter la manutention et l'assemblage par un personnel non spécialisé Des exemples de tels types de moyens de raccordement sont bien connus dans la technique comme montré, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique na 2 990 895 et No 3 159 222. Bien que de tels moyens de raccordement, tels que dé- crits dans ces brevets, puissent être montés et dé- montés rapidement, les vibrations dans le train d'en- traînement provoquent un broutement qui entraîne une usure excessive du mécanisme de raccordement ou d'accouplement, ce qui a finalement pour résultat de provoquer sa défaillance, nécessitant ainsi un dé- brayage prématuré du train de tiges pour remplacer ou réparer le dispositif d'entraînement Conformément à la présente invention, il est réalisé un accouplement à désaccouplement rapide pour l'arbre de sortie d'un dispositif d'entraînement de fond de puits qui comporte un collier ayant une surface intérieure qui s'incline en forme de cône vers l'intérieur à partir de chaque extrémité pour ve- nir en appui contre des surfaces coniques correspondantes formées sur l'extérieur des griffes d'embrayage du méca- nisme afin de maintenir ces surfaces en contact intime avec le collier lorsque la perte de charge à travers le rotor applique une force axiale aux surfaces coniques de l'accouplement Les griffes ou doigts d'embrayage de transmission de couple sont ainsi fermement mainte- nues par le collier empêchant ainsi que les vibrations qui existent dans le mécanisme d'entraînement provoquent une usure excessive de l'accouplement En outre, la conicité des surfaces, pour conserver les capacités de désaccouplement rapide, doit être supérieure à celle d'un cône autobloquant tandis crue, pour maintenir l'ac- tion de coincement assurant un contact intime de ma- nière à empêcher l'usure, elle doit être proche de celle d'un cône auto-bloquant L'accouplement à désac- couplement rapide peut être également utilisé pour accoupler entre eux deux rotors ou plus dans un dis- positif d'entraînement de fond de puits. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du-dessin annexé dans lequel la figure 1 est une vue en coupe verticale de la partie supérieure d'un dispositif d'entraînement de fond de puits représentant l'arbre d'entraînement assemblé à un accouplement à désaccouplement rapide selon la présente invention;- la figure 2 est une vue à plus grande échelle de l'ac- couplement à désaccouplement rapide de la figure 1; et la figure 3 est une vue en coupe suivant les lignes III-111 de la figure 2. Sur la figure 1 à laquelle on se référera, on a représenté un dispositif d'entraînement 39 de fond de puits à cavité progressive qui comporte un rotor 41 et un stator lequel comporte une chemise flexible 43 contenue dans un carter tubulaire 45 fileté à son extrémité supérieure pour pouvoir être raccordé au train de tiges 47 et fileté à son extrémité inférieure pour pouvoir être fixé à une autre partie séparée du carter de l'organe d'entraînement, désignée par la référence 49. Le carter 49 enferme à son extrémité inférieu- re (non représentée) les paliers radiaux et de butée pour le train d'entraînement qui, comme il est bien connu dans la technique, comporte un trépan de forage 17356 monté à l'extérieur du carter sur l'extrémité termina- le de l'arbre. Un ensemble de transmission universel 51 servant à relier l'extrémité inférieure du rotor 41 , au train d'entraînement monté dans les paliers, d'une manière qui assure la transmission de l'entraîne- ment, est logé dans la partie supérieure du carter 49 et il comporte deux joints universels 53, 55 pour transformer et transmettre le mouvement de rotation et de nutation du rotor en un mouvement de rotation du train d'entraînement porté par les paliers. Pour faciliter la fabrication, l'assemblage et l'expédition du dispositif d'entraînement de fond de puits à cavité progressive, le rotor 41 et l'ensemble de transmission universel 51 sont assemblés entre eux par un ensemble d'accouplement 57 à désaccouplement rapide qui est également logé dans le carter 49. L'ensemble d'accouplement comporte un embout d'arbre supérieur 59 vissé dans le rotor 41 et un embout d'arbre inférieur 61 ayant une configuration semblable qui est vissé dans le raccord supérieur 63 de l'ensemble de transmission universel 51. Comme il est déjà connu dans la technique antérieure et comme représenté dans le brevet des EUA No 2 990 895 déjà cité, chacun des embouts d'arbre 59, 61 comporte des griffes d'embrayage ou doigts inter- digités 65 faisant saillie axialement, qui comportent des faces d'appui correspondantes coopérantes 69 pour transmettre le couple entre eux Un collier 67 en- ferme et supporte les griffes d'embrayage 65 a et 65 b en alignement axial Du fait que l'embout d'arbre supé- rieur 59 est retenu sur le rotor et que l'embout d'ar- bre inférieur 61 est retenu sur l'ensemble de trans- mission universel 51, l'assemblage des deux carters 45 et 49 nécessite une insertion aveugle des griffes 17356 d'embrayage supérieures 65 a entre les griffes d'em- brayage inférieures 65 b avec le collier 67 en place sur l'un ou l'autre embout d'arbre Cependant, lorsque les griffes d'embrayage inférieures 65 b comportent un chanfrein, tel que le chanfrein 66, il est préfé- rable de monter le collier 67 sur les griffes d'em- brayage supérieures 65 a. Pour faciliter une telle insertion aveugle, les extrémités terminales des doigts et la lèvre inté- rieure du collier ont, jusqu'à présent, été chanfrei- nées pour assurer une introduction et un enclenchement guidés; cependant, comme précédemment expliqué, la surface extérieure des griffes d'embrayage et la surface intérieure du collier étaient approximativement cylin- driques avec des jeux importants entre eux pour faci- liter également l'assemblage (voir la figure 2 du bre- vet des EUA No 2 990 895). En outre, jusqu'à présent, les extrémités du collier étaient en butée contre des épaulements formés sur les embouts d'arbre opposés pour suppor- ter la charge de poussée entre eux Une telle construc- tion permettait un mouvement radial entre les parties en contact qui étaient considérablement accru par le mouvement de nutation du rotor, ce qui avait pour effet de provoquer une défaillance prématurée de l'accouple- ment. Sur les figures 1 et 2 auxquelles on se réfé- rera maintenant, on peut voir que la surface des doigts ou griffes d'embrayage 65 a et 65 b selon la présente in- vention est inclinée ou en cône vers l'intérieur dans la direction de leur extrémité libre, sur la plus grande partie de leur dimension axiale, à un angle e. Le collier 67 a une surface intérieure radia- lement inclinée ou en cône vers l'intérieur à partir de chaque extrémité à un même angle d'inclinaison e (ou 251 356 demi-angle au sommet du cône) et qui se termine appro- ximativement au milieu axial dudit collier de sorte que la surface extérieure de chaque doigt est approxi- mativement en contact intime avec la surface intérieure du collier sur la plus grande partie de la dimension axiale de chaque doigt. On notera que l'accouplement 57 à désaccou- plement rapide de la présente invention ne comporte pas d'épaulement de butée pour supporter la poussée axiale- et que, de ce fait, la poussée est supportée par les surfaces coniques en contact du collier 67 et des doigts 65 a et 65 b. Etant donné qu'il existe un contact intime entre la surface intérieure du collier et la surface extérieure des doigts, le broutement ou mouvement rela- tif entre eux a été éliminé En outre, dans la mesure o le mouvement de nutation peut provoquer une oscil- lation ou un broutement du fait de la charge excentrique entre les doigts et le collier, provoquant une usure, de tels changements de dimensions relatives peuvent être rattrapés par un enfoncement axial plus profond des doigts dans le collier pour ramenerles surfaces d'appui en contact intime afin d'éliminer le mouvement relatif. Comme dans la technique antérieure, le train d'entraînement monté dans le carter inférieur est rela- tivement axialement stable du fait du support des pa- liers qu'il contient mais du fait que le rotor a un mouvement axial limité et du fait de la perte de charge du fluide moteur à travers le rotor, l'ensemble d'accouplement 57 à démontage rapide doit supporter diverses charges de poussée Cependant, pour assurer que l'accouplement puisse être facilement désaccouplé, de manière à permettre le démontage du dispositif d'en- traînement, l'angle e doit être supérieur au demi-angle au sommet d'un cône auto-bloquant ou auto-serrant, tandis que, pour maintenir les surfaces d'appui coopé- rantes en contact continu afin d'éliminer les oscil- lations, il est souhaitable qu'un tel angle soit pro- che de celui qui produit l'effet de coincement d'un cône auto-bloquant A cette fin un angle e tel que défini par une pente d'environ 146 mm par mètre (soit 8,30 environ) de chaque côté est préférable. Sur la figure 3, à laquelle on se référera, on peut voir que chaque embout d'arbre comporte deux doigts saillants 65 a et, respectivement, 65 b les surfaces d'appui 69 de transmission du couple entre eux étant approximativement planes et'axialement alignées En outre, on notera que les surfaces exté- rieures formées par les doigts et la surface intérieure du collier ont une section transversale circulaire de sorte que l'assemblage du collier sur les doigts ne nécessite pas une orientation pour assurer le con- tact intime. REVENDICATIONS 1 Un ensemble d'accouplement ( 57) à désaccouplement rapide pour les arbres de transmission supérieur et inférieur ( 41, 63) axialement alignés tournant excentriquement d'un dispositif d'entraînement ( 39) de fond de puits, caractérisé en ce qu'il comporte: un premier embout d'arbre ( 59) monté sur l'arbre supérieur et muni de griffes d'embrayage ( 65 a) s'étendant vers le bas ayant une surface exté- rieure et une surface ( 69) de transmission de couple; un second embout d'arbre ( 61) monté sur l'arbre infé- rieur et muni de griffes d'embrayage ( 65 b) s'étendant vers le haut ayant une surface extérieure et une sur- face ( 69) de transmission de couple en appui contre la surface correspondante de l'embout d'arbre supérieur, la surface extérieure de chaque griffe s'inclinant ra- dialement vers l'intérieur dans la direction de son. extrémité libre saillante; un collier ( 67) entourant les griffes d'em- brayage coopérantes sur toute l'étendue axiale d'un tel embrayage; et en ce que le collier a une surface intérieure qui s'incline en cône radialement vers l'intérieur à partir de chaque extrémité pour venir en appui d'accou- plement intime avec les parties respectives desdites griffes d'embrayage; de telle sorte qu'une poussée axiale transmise entre les arbres opposés est suppor- tée par l'intermédiaire des surfaces d'appui inclinées du collier et des griffes d'embrayage. 2 Ensemble d'accouplement selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que l'inclinaison vers l'inté- rieur de la surface extérieure de chaque griffe d'embra- yage ( 65 a, 65 b) et de la surface intérieure partant de chaque extrémité du collier est de l'ordre de 146 mm par 17356 mètre de longueur axiale. 3 Ensemble d'accouplement selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les surfaces in- clinées vers l'intérieur font un angle (@) par rapport à l'axe des arbres qui est d'approximativement 8,3 degrés. 4 Un dispositif d'accouplement à désaccouplement rapide, pour une paire d'arbres ( 41, 63) axialement alignés, caractérisé en ce qu'il com- porte: un embout d'arbre ( 41, 61) monté sur chacune des extrémités adjacentes des arbres, chaque embout d'arbre comportant des griffes d'embrayage ( 65 a, b) qui s'étendent axialement et comportent des surfaces ( 69) de transmission de couple en appui les unes contre les autres, et des surfaces extérieures qui s'inclinent radialement vers l'intérieur dans la direction de leur extrémité libre saillante et un collier ( 37) qui entoure les griffes d'embrayage en prise et comporte une surface intérieure qui s'incline radialement vers l'intérieur à partir de chaque extré- mité pour venir en appui intime étroitement adapté con- tre les surfaces extérieures des griffes d'embrayage, et en ce que l'inclinaison est au moins supérieure à celle d'une conicité de blocage.