Brevet FR2514070A1 — publié le 19830408

L'invention se rapporte aux matériels destinés aux opérations de forage, tels que l'on en utilise dans les forages miniers ou pétroliers. Dans ces travaux, il est utilisé un outil de forage animé d'un mouvement de rotation et recevant également des chocs destinés à provoquer la désagrégation du terrain au voisinage de l'outil, facilitant ainsi sa pénétration. Pour des raisons d'efficacité, l'outil peut travailler dans un fluide de forage, injecté depuis la surface, qui assure l'évacuation des sédiments. Ce fluide peut être de l'air comprimé, de l'eau ou de la boue. Il est évident que le rendement de l'outil sera maximal si les dispositifs, assurant sa rotation et fournissant la percussion, se trouvent à proximité immédiate de l'outil. Ceci a amené à concevoir des dispositifs connus sous le nom de "fond de trou", qui reçoivent l'énergie nécessaire à leur fonctionnement depuis la surface, et dont les moyens de mise en rotation et de commande de percussion sont placés à l'intérieur d'un corps surmontant directement l'outil. Les dispositifs "fond de trou" dans lesquels la transmission de l'énergie depuis la surface est réalisée par des systèmes pneumatiques ne peuvent travailler sous de grandes immersions en raison des pertes de charge et des problèmes d'étanchéité ; il en est de m & e des systèmes hydrauliquesde transmission ; à quoi s'ajoute, dans les zones à climat froid, les risques de givrage pour l'air comprimé, et l'augmentation de la viscosité de l'huile pour les circuits hydrauliques. Il existe également, dans les dispositifs du genre ici considéré, la nécessité de séparer l'énergie de frappe et de rotation,de l'énergie fluide utilisée pour la remontée des sédiments de forage. En résumé, les dispositifs actuellement connus posent des problèmes de mise en exploitation, liés à la nature de la source d'énergie qu'ils utilisent. La présente invention vise à remédier à ces inconvé nients, en fournissant un équipement utilisant une source d'énergie nouvelle dans le domaine ici considéré, constituant la solution optimale pour le transport d'énergie à l'échelle des forages miniers ou pétroliers, soit à des profondeurs généralement comprises entre 100 et 6000 mètres, et ne présentant pas d'inconvénients pour une utilisation dans les zones à climat froid, tout en permettant i'emploi du fluide de forage le mieux adapté. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de forage "fond de trou" avec système de rotation-percussion lié à un outil de forage, dans lequel ce système est composé d'un marteau électromagnétique comprenant une enclume solidaire de 11 outil de forage et une masse mobile suspendue élastiquement et venant frapper l'enclume; et d'un moto-réducteur électrique, disposé suivant l'axe du marteau au-dessus de celui-ci et accouplé à l'enclume par l'intermédiaire d'un arbre de transmission en matériau amagnétique traversant de part en part la masse mobile par un trou foré suivant l'axe de cette dernière, l'ensemble comprenant le marteau électromagnétique, le moto-réducteur électrique et les équipements électriques d'alimentation et de commande de ces derniers étant logé à l'intérieur d'un caisson extérieur tubulaire, dont la partie supérieure est raccordée à des moyens de liaison mécanique avec la surface, rigides en torsion de manière à compenser le couple de rotation de l'outil de forage solidaire de l'enclume précitée, ledit ensemble étant en outre relié à la surface par des conducteurs électriques d'alimentation et de commande. Le dispositif selon l'invention se caractérise donc par l'application de l'énergie électrique aux fonctions de rotation et de percussion d'un dispositif de forage "fond de trou", ces fonctions étant assurées respectivement par un moto-réducteur électrique,de préférence à vitesse variable, et par un marteau électromagnétique, réunis en un ensemble compact qui surmonte 11 outil de forage et qui inclut également tout l'équipement électrique et électro nique du dispositif. Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, un passage de section annulaire est ménagé entre le caisson extérieur tubulaire et les carterset/ou parois cylindriques entourant le marteau électromagnétique, le moto-réducteur électrique et les équipements électriques d'alimentation et de commande de ces derniers, pour l'amenée d'un fluide de forage injecté en partie basse du dispositif dans l'outil de forage, solidaire de l'enclume, par au moins un orifice radial et un canal axial creusés dans ladite enclume. On ménage ainsi une circulation latérale de fluide de forage, avant que ce fluide soit ramené à la base du dispositif dans l'axe de ce dernier pour & re injecté dans l'outil de forage.Le passage annulaire précité peut avoir un simple rôle de conduit d'amenée du fluide de forage sous pression, auquel cas il suffit de prévoir un assemblage étanche des carters et/ou parois qui entourent le marteau, le moto-réducteur et les équipements électriques, ainsi que des joints d'étanchéité sur l'enclume pour isoler le fluide à l'entrée de celle-ci. Il existe également la possibilité d'utiliser le passage annulaire en question pour accélérer la circulation du fluide de forage, en y ajoutant une pompe de circulation du fluide de forage, entrainée par le-moteur du moto-réducteur électrique accouplé à l'snclume du marteau électromagnétique. Les moyens de liaison du dispositif de forage selon l'invention avec la surface peuvent être notamment constitués par un conduit flexible mais rigide en torsion, qui assure l'alimentation du dispositif en fluide de forage et qui incorpore,dans son enveloppe, les conducteurs électriques d'alimentation et de commande du système de rota tion- percussion. Le dispositif objet de l'invention peut aussi être descendu dans le trou foré et relié à la surface au moyen de tiges rigides télescopiques, les conducteurs électriques d'alimentation et de commande du système de rotation-percussion étant séparés desdites tiges. Les moyens de liaison avec la surface peuvent être encore constitués par une c-haine du genre "chaîne de manutention", rigide en torsion, à laquelle est suspendu le dispositif, les conducteurs électriques d'alimentation et de commande du système de rotation-percussion étant séparés de ladite chaîne. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit; en référence au dessin schématique annexé represen-tant, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes d'exécution de ce dispositif de forage "fond de trou" Figure 1 est une vue d'ensemble, avec coupes partielles, diun premier dispositif de forage conforme à l'invention Figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale et à échelle agrandie du dispositif de figure 1, montrant le détail du marteau électromagnétique Figure 3 est une vue similaire à figure 1, illustrant une variante de ce dispositif, équipée d'une pompe de circulation du fluide de forage. Le dispositif de forage "fond de trou", représenté sur le dessin oll le repère 1 désigne la paroi de forage, comprend un caisson extérieur tubulaire Z, dont l'extrémité supérieure est fixée à un conduit flexible 3 assurant le raccordement du dispositif avec la surface. A la base du caisson Z se trouve l'outil de forage 4, qui est accouplé d'une part à un marteau électromagnétique désigné dans son ensemble par 5, et d'autre part à un moto-réducteur électrique 6 à vitesse variable, réalisant respectivement les deux fonctions de percussion et de rotation. La partie moteur 7 et la partie réducteur a du moto-réducteur 6 -sont disposées, suivant l'axe 9 du dispositif, au-dessus du marteau électromagnétique 5, et sont-logées dans un compartiment cylindrique 10 qui renferme en outre tout l'équipement électrique et électronique du dispositif, le compartiment 10 étant délimité par une paroi 11 coaxiale au caisson extérieur 2. Le marteau électromagnétique 5, dont la structure est bien visible sur la figure 2, comprend un circuit magnétique fixe avec un bobinage 12 entouré d'un blindage 13, une masse mobile suspendue élastiquement 14 constituant le noyau mobile, qui pénètre dans le bobinage 12 par l'extré- mité supérieure de celui-ci, et une pièce polaire 15 opposée au noyau mobile et constituant également l'enclume, qui pénètre dans le bobinage 12 par l'extrémité inférieure de ce dernier et qui est solidarisée avec l'outil de forage 4. Les éléments 12 à 15 du marteau électromagnétique 5 sont disposés dans des carters 16 et 17 convenablement assemblés, qui s'inscrivent dans le même cylindre que la paroi précitée 11. La masse mobile 14 présente, dans sa partie intermédiaire, une collerette 18 de part et d'autre de laquelle prennent appui, respectivement, deux ressorts hélicoïdaux 19 et 20 antagonistes. Le ressort inférieur 19 est comprimé entre la collerette 18 et une bague formant butée 21 située au niveau de la jonction des deux carters 16.et 17. Le ressort supérieur 20 est comprimé entre la collerette 18 et une autre bague formant butée 22 située au sommet du carter supérieur 17. La masse mobile 14 est forée d'un trou 23, suivant son axe 9 et sur toute sa longueur, pour permettre le passage d'un arbre de transmission 24 en matériau amagnétique, qui est fixé par son extrémité inférieure à l'en- clume 15, et dont l'extrémité supérieure est accouplée à la sortie du moto-réducteur électrique 6. Le marteau électromagnétique 5 est plus particulièrement réalisable suivant le hrevet français N 2430827, tandis que le système électrique d'alimentation et de commande de ce marteau 5, logé avec la commande électrique du moto-réducteur 6 à vitesse variable dans le compartiment 10 au-dessus du moteur 7, est de préférence réalisé suivant le brevet français NO 2356483 et son addition NO 2425302. Le conduit 3, flexible mais rigide en torsion, porte les conducteurs électriques 25 d'alimentation et de com mande du dispositif, incorporés. dans l'enveloppe dudit conduit 3, qui aboutissent dans le compartiment 10, et ce conduit flexible 3 véhicule lefluide de forage sous pression dans le sens de son arrivée au dispositif suivant les flèches 26. Pour permettre la circulation du fluide de forage, la partie basse du marteau électromagnétique 5 possède des perçages radiaux 27, situés en regard d'orifices radiaux 28 de l'enclume 15 qui débouchent dans un canal axial 29 de celle-ci.Le passage de fluide ainsi réalisé se trouve isolé des autres organes intérieurs du marteau 5 au moyen de joints d'étanchéité annulaires 30 qui entourent l'enclume 15, et plus généralement la construction et l'assemblage des differents éléments du dispositif caisson extérieur Z, conduit 3, marteau électromagnétique 5, moto-réducteur 6 et paroi 11, sont de type étanche. En cours de fonctionnement, le mouvement de rotation produit par le moto-réducteur 6 est transmis à l'enclume 15, donc à l'outil de forage 4 qui en est solidaire, par l'arbre 24. Simultanément, les chocs produits par la masse mobile 14 du marteau électromagnétique 5 sur l'enclume 15 seront également transmis par cette dernière pièce à l'outil de forage 4. Le fluide de forage, qui parvient au sommet du dispositif suivant les flèches 26, circule de haut en bas dans le passage de section annulaire 31 ménagé entre le caisson extérieur tubulaire 2, d'une part, et le corps central délimité par la paroi Il et par les carters 16 et 17, d'autre part. Parvenu à la base du dispositif, le fluide de forage pénètre, par les perçages 27 et les orifices 28, dans le canal 29 de l'enclume 15, pour être injecté axialement dans l'outil de forage 4. Enfin, ce fluide remonte en passant entre le caisson extérieur 2 et la paroi de forage 1, en entraînant avec lui les sédiments de forage. La figure 3 montre une autre forme d'exécution de l'invention, dont toutes les parties non modifiées par rapport à la forme d'exécution précédemment décrite sont désignées par les mêmes repères et ne seront pas décrites une nouvelle fois. Dans cette autre forme d'exécution, il est prévu en outre une pompe 32 de circulation du fluide de forage, entraînée par le moteur électrique 7 du moto-réducteur 6, et placée entre ce moteur 7 et le réducteur 8 de manière à accélérer la circulation de fluide de forage passant dans le passage de section annulaire 31. Comme il va de soi, l'invention ne-se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif de forage "fond de trou qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, tout-es les variantes de réalisation conçues suivant les mêmes principes, quels qu'en soient les divers détails constructifs ou les équipements annexes. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention en remplaçant le conduit flexible 3,incluant les conducteurs électriques 25 - soit par des tiges rigides télescopiques, compensant le couple de rotation de l'outil de forage 4, les conducteurs électriques étant dans ce cas séparés des tiges - soit par une chaîne de suspension, du type "chaîne de manutention, souple dans le sens de l'enroulement mais rigide en torsion pour assurer également la compensation du couple de rotation de l'outil 4, les conducteurs électriques étant alors séparés de la chaîne. REVENDICATIONS 1. - Dispositif de forage "fond de trou", -avec système de rotation-percussion lié à un outil de forage, caractérisé en ce que ledit système est composé d'un marteau électromagnétique (5) comprenant une enclume (15) solidaire de l'outil de forage (4) et une masse mobile (14) suspendue élastiquement et venant frapper l'enclume (15), et d1un moto-réducteur électrique (6), disposé suivant l'axe (9) du marteau (5) au-dessus de celui-ci et accouplé à l'enclume (15) par l'intermédiaire d'un arbre de transmission (24) en matériau amagnétiqué traversant de part en part la masse mobile (14) par un trou (23) foré suivant l'axe (9) de cette dernière, l'ensemble comprenant le marteau électromagnétique (5), le moto-réducteur électrique (6) et les équipements électriques d'alimentation et de commande de ces derniers étant logé à l'intérieur d'un caisson extérieur tubulaire (2), dont la partie supérieure est raccordée à des moyens de liaison mécanique (3) avec la surface, rigides en torsion de manière à compenser le couple de rotation de l'outil de forage (4) solidaire de l'enclume précitée (15), ledit ensemble étant en outre relié à la surface par des- conducteurs électriques (25) d'alimentation et de commande. 2. - Dispositif de forage "fond de trou" selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un passage de section annulaire (31) est ménagé entre le caisson extérieur tubu laire (2) et les carters et/ou parois cylindriqu-es (11, 16,17) entourant le marteau électromagnétique (5), le motoréducteur électrique (6) et les équipements électriques d'alimentation et de commande de ces derniers, pour l'avec née d'un fluide de forage injecté en partie basse du dispositif dans l'outil de forage (4), solidaire de l'enclume (15), par au moins un orifice radial (28) et un canal axial (29) creusés dans ladite enclume (15). 3. - Dispositif de forage "fond de trou" selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il 'comprend une pompe (32) de circulation du fluide de forage, entraînée par le moteur (7) du moto-réducteur électrique (6) accouplé à l'enclume (15) du marteau électromagnétique (5). 4. - Dispositif de forage "fond de trou" selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de liaison avec la surface sont constitués par un conduit flexible mais rigide en torsion (3), qui assure l'alimentation du dispositif en fluide de forage et qui incorpore, dans son enveloppe, les conducteurs électriques (25) d'alimentation et de commande du système de rotation-percussion (5,6). 5. - Dispositif de forage "fond de trou" selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de liaison avec la surface sont constitués par des tiges rigides télescopiques, les conducteurs électriques d'alimentation et de commande du système de rotationpercussion (5,6) étant séparés desdites tiges. 6. - Dispositif de forage "fond de trou" selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de liaison avec la surface sont constitués par une chaîne du genre "chaîne de manutention", rigide en torsion, à laquelle est suspendu le dispositif, les conducteurs électriques d'alimentation et de commande du système de rotation-percussion (5,6) étant séparés de ladite chaîne.