Brevet FR2515250A1 — publié le 19830429

La présente invention concerne une coulisse à percussion mécanique à insérer dans un train de tiges pour des forages profonds, constituée d'un fût dans lequel une broche est mobile dans le sens longitudinal, d'épaulements de percussion opposés sur la broche et le fût, d'une première denture cannelée pour transmettre le moment de torsion le long du train de tiges de la broche au fût et d'un dispositif d'arrêt libérable pour bloquer un déplacement longitudinal relatif de la broche et du fût, le dispositif d'arrêt comprenant des éléments d'arrêt associés respectivement à la broche et au fût, présentant une denture axiale et maintenus en prise avec un élément monté dans un élément d'appui pour le moment de torsion et pouvant être soumis à un effort de torsion. 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 extensible ou rétractable de manière télescopique, constitué d'une broche et d'un fût présentant des butées stables pour les positions d'extrémité des deux éléments Elle comporte un dispo- sitif d'arrêt libérable, qui peut fixer la broche et le fût dans une position de départ Dans cette position, on peut emmagasiner de l'énergie élastique dans le train de tiges de forage en tirant le train de tiges vers le haut au moyen du dispositif de traction du derrick ou en le laissant descendre Lorsque le train de tiges se détent lors de la libération du dispositif d'arrêt, l'énergie élastique est convertie en énergie cinétique, grâce à quoi la broche et le fût de la 15250 coulisse à percussion se déplacent jusqu'à ce que leurs surfaces de butée entrent en collision En raison de la masse importante ainsi freinée -du train de tiges de forage, des coups puissants se produisent et peuvent assurer le déblocage des élément bloqués; un grand nombre de coups sont toutefois fréquemment nécessaires avant que le train de tiges soit à nouveau libre Le dispositif d'arrêt précité a pour but de bloquer le déplacement longitudinal des éléments pouvant coulisser de manière télescopique jusqu'à ce qu'une force de déclenchement pré-établie à volonté soit imposée sur le train de tiges et de permettre, lorsque cette force est dépassée, le coulissement non freiné de la broche et du fût selon la direction de la force de précontrainte. Des parties du dispositif d'arrêt sont, dans ce cas, soumises à des forces allant jusqu'à la valeur de la force de déclenchement Lors d'une utilisation pro- longée d'une coulisse à percussion, des parties ainsi sollicitées posent des problèmes d'usure et de risque de rupture particuliers La construction doit, par conséquent, être conçue de telle sorte que des forces de traction, de compression ou de cisaillement restent autant que possible largement en dessous des limites critiques. Le brevet des Etats- Unis d'Amérique n O 4 105 082 décrit une coulisse à percussion mécanique conforme à la partie non caractéristique de la revendi- cation 1 Les parties du dispositif d'arrêt qui sont soumises à la force de déclenchement imposée sur le train de tiges de forage comprennent une broche et un fût qui peuvent être sollicités réciproquement en torsion A un endroit, le fût est pourvu de tenons gui s'engagent dans des boutonnières longitudinales de la broche; en un autre endroit, le fût présente un évi- dement oblong dont la première surface de délimitation a la forme d'une rangée de dents axiales de structure trapézoïdale avec laquelle vient en prise une crémail- lère également trapézoïdale qui est fixée sur la broche Lors d'une sollicitation réciproque en traction ou en compression de la broche et du fit, les rangées de dents sont dégagées de force l'une de l'autre tandis que simultanément une torsion relative du fût et de la broche se produit Etant donné que la broche et le fût sont cependant bloqués contre toute torsion en un autre endroit par des tenons, un moment de torsion s'accumule et s'oppose au désengrènement des rangées de dents La valeur du moment de torsion, qui apparaît lorsque les rangées de dents sont complètement dégagées l'une de l'autre, et l'inclinaison des flancs des dents déter- minent la force de déclenchement La sollicitation de la broche et du fût en torsion en vue de produire une force de verrouillage qui s'oppose à la force présente dans le train de tiges de forage, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique, permet d'éviter des forces de traction, de compression ou de cisaillement critique dans l'élément formant ressort Ceci est possible parce qu'a cause de la dilatation spatiale importante de l'élément formant ressort, le trajet de déformation spécifique est petit L'inconvénient dans la construction décrite est le fait que quelques particularités entravent toutefois l'utilisation avec succès du principe décrit. Ainsi, la broche et le fût sont soumis à un effort de torsion après la libération du dispositif d'arrêt, ce qui produit des forces de friction impor- tantes entre les faces d'about des rangées de dents et les faces de contact des tenons et des rainures longi- tudinales sur l'ensemble du trajet de coulissement de la broche et du fût En plus d'une forte usure des éléments qui glissent l'un sur l'autre, les forces de friction consomment aussi une fraction de l'énergie cinétique du train de tiges de forage qui se détend, de sorte que l'intensité du coup exercé lors de la colli- sion des surfaces de butée est plus faible L'usure des tenons guidés dans des rainures longitudinales est particulièrement importante parce que les surfaces de contact sont petites et qu'il en résulte une pression superficielle élevée Le réglage de la force de déclen- chement n'est possible que dans de grands intervalles et uniquement à l'aide d'un outil spécial. L'invention a par conséquent pour but de réaliser une coulisse à percussion mécanique du type spécifié dans le premier paragraphe, qui évite les inconvénients mentionnés plus haut. Ce but est réalisé par le fait que l'élément pouvant être soumis à un effort de torsion, qui a de préférence la forme d'une douille de torsion, est désaccouplé des éléments servant à transmettre le moment de torsion de travail le long du train de tiges de forage, de sorte que d'une part, l'effort de torsion et ainsi la force de déclenchement ne sont pas influ- encés par le moment de torsion de travail et que d'autre part, -une détente du dispositif d'arrêt dans l'état déverrouillé est possible. En plus de la denture cannelée habituelle qui est courante dans les outils de forage de construction télescopique et qui sert à la transmission du moment de torsion d'éléments coulissant le long du train de tiges, un appui séparé pour le moment de torsion est associé au dispositif d'arrêt Cet appui a également la forme d'une denture cannelée, mais sa longueur axiale est toutefois inférieure au trajet de déplacement maximum de la broche et du fût Le dispositif d'arrêt comporte, en outre, des éléments d'arrêt ayant la forme de barres dentées trapézoïdales au moyen desquelles la broche et le fût sont verrouillés d'une manière bien connue Dans le cas du déverrouillage sous l'effet d'une charge axiale excessive et d'un trajet de dépla- cement axial court, les surfaces de contact de la denture cannelée séparée perdent tout contact réci- proque et la douille de torsion peut se détendre. Pendant la suite du trajet de coulissement, ni les faces d'about des dents, ni les flancs de la denture cannelée ne sont pressés les uns contre les autres, de sorte que la coulisse à percussion peut coulisser de manière télescopique sans être freinée Lesdites surfaces ne s'usent pas pendant cette phase de coulis- sement Le blocage du dispositif d'arrêt par l'emboî- tement réciproque des dentures cannelées distinctes est facilité par un biseau d'entrée sur les flancs des dents Un réglage continu de la force de déclenchement est possible au moyen de crémaillères de réglage à dents de scie qui, lors d'un déplacement axial, provo- quent un préréglage de l'angle de torsion de la douille de torsion Le déplacement axial s'effectue à l'aide d'un écrou fileté qui peut être actionné de l'extérieur à nouveau par un pignon sans outil spécial Selon une autre forme d'exécution, aux fins d'une coordination manifeste de la denture cannelée distincte et de la position des crémaillères, les éléments sont montés sans intercalation d'une jonction vissée, sur la même section de broche ou dans la même section de ft - D'autres particularités avantageuses ressortiront des autres revendications. Une forme d'exécution de l'invention sera décrite à présent, à titre d'exemple, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig 1 est une vue en coupe d'une coulisse à percussion mécanique équipée du dispositif d'arrêt conforme à l'invention; la Fig 2 est une vue de la zone du dispositif d'arrêt négligeant les particularités qui ne sont pas importantes pour le principe de fonctionnement. La coulisse à percussion représentée sur la Fig 1 est faite d'une broche 1 et d'un fût 2 qui peuvent coulisser de manière télescopique La broche et le fût portent chacun, à leur extrémité externe, des douilles taraudées 3, 4 au moyen desquelles la coulisse à percussion peut être insérée dans un train de tiges de forage Dans l'état initial, c'est-à- dire lorsque la coulisse à percussion se trouve en position d'attente ainsi que lors d'une opération de forage normale, -la broche 1 et le fût 2 occupent une position médiane. Dans cette position médiane, ils sont fixés par un dispositif d'arrêt 5 Lors du déclenchement du dispo- sitif d'arrêt 5, la broche et le fût peuvent coulisser l'un dans l'autre aussi bien en un mouvement de con- traction qu'en un mouvement d'extension et ce chaque fois jusqu'à une butée Ces butées servent d'épau- lements de percussion lors de l'utilisation de la coulisse à percussion Lors du mouvement d'extension de l'outil, une surface formant marteau 6 percute une partie d'un manchon de jonction 7 sur une surface servant d'enclume 8 prévue à l'extrémité inférieure d'un manchon cannelé 9 Lors du mouvement de contrac- tion, une autre surface formant marteau 10 à l'extré- mité inférieure du manchon de jonction 7 percute une autre surface servant d'enclume 11 à un endroit étran- glé 12 du fût 2. Pour transmettre un moment de torsion de la broche 1 au fût 2, les deux éléments sont pourvus d'une denture cannelée 13 qui s'étend axialement sur une zone étranglée, le manchon cannelé 9 entourant ainsi une partie de broche cannelée 14. Au cours de sa course ultérieure, la broche 2 est désaccouplée en torsion par une double jonction vissée au moyen du manchon de jonction 7 de l'élément portant la partie de broche cannelée 14 A cet effet, la première partie de la jonction vissée double est dépourvue de contre- écrous et est pourvue d'un pas de vis trapézoïdal cylindrique Le dispositif d'arrêt 5 est disposé en dessous du manchon de jonction 7 dans un espace prévu entre la broche 1 et le fût 2 Une denture cannelée séparée 15 est prévue à une distance déter- minée en dessous du dispositif d'arrêt. La zone intermédiaire de la broche 1 sert de douille de torsion 16 Le fût 2 ainsi que la broche 1 sont tous deux dépourvus de jonctions vissées dans la zone "dispositif d'arrêt 5 douille de torsion 16 et la denture cannelée distincte 15 ", de sorte que, pour toutes les conditions de charge, des angles de torsion manifestes entre le dispositif d'arrêt 5 et la denture cannelée 15 sont garantis et une relation reproductible entre la force de déclenchement et le trajet de réglage peut être établie. Pour réduire l'usure des parties mobiles, les dentures cannelées 13 et 15 ainsi que le dispositif d'arrêt 5 sont contenus dans un bain d'huile L'espace d'huile est isolé de manière étanche de l'espace de rinçage au moyen d'un joint d'étanchéité fixe 17 et d'un joint d'étanchéité coulissant axialement 18 pour compenser les pressions et les volumes. Pour améliorer le passage de l'huile à travers la denture cannelée 13 lors de mouvements de coulis- sement entre la broche 1 et le f ut 2, le manchon de jonction 7 porte une virole extérieure 19 qui sert de piston de pompage et qui a le même diamètre extérieur que la broche dans la zone du joint d'étanchéité fixe 17 Lors d'un mouvement d'extension de l'outil, l'huile est refoulée au moyen de la douille extérieure 19 à travers la zone cannelée étroite dans l'espace séparant la denture cannelée 13 du joint d'étanchéité fixe 17. Une mise en charge excessive du joint d'étanchéité fixe par une différence de pression élevée temporaire entre l'espace d'huile et l'espace de rinçage est ainsi évitée La douille extérieure 19 doit présenter préci- sément autant de pertes par fuite qu'il n'en faut pour qu'une égalisation de pression stationnaire puisse se produire dans l'ensemble de l'espace d'huile. Le dispositif d'arrêt sera à présent expliqué avec référence au dessin de principe de la Fig 2. Pour obtenir une charge symétrique de la broche 1, les éléments orientés axialement sont opposés par paires; une moitié seulement des paires est toute- fois visible sur la Fig 2. Une barre d'arrêt 20 associée à la broche est disposée dans un logement d'une saillie 21 reliée à la broche 1 Etant donné que seules des forces orientées dans le sens des aiguilles de la montre peuvent agir sur la barre d'arrêt 20, celle-ci est bloquée par le logement contre tout déplacement axial et tangentiel sur la broche 1 Elle peut cependant être retirée en vue du démontage Une barre d'arrêt 22 associée au fût est en prise avec la barre d'arrêt 20 associée à la broche et elle prend appui dans un logement ménage dans une barre de support 23 La barre de support est fixée axialement par rapport au fût 2 par une face d'about supérieure 24 et par une douille inférieure (non représentée sur la Fig 2), mais elle est montée de manière à pouvoir se déplacer tangentiellement La barre de support 23 présente des dents obliques du côté opposé au- logement et est en prise avec une barre de réglage 25 La barre de réglage 25 est montée dépla- çable dans le sens axial par rapport au fût 2, mais est maintenue de manière à ne pas pouvoir se déplacer 25.15250 tangentiellement au moyen d'un ressort d'ajustement 26. A son extrémité supérieure, la barre de réglage 25 présente une section filetée 27 qui est en prise avec un écrou de réglage 28 fixé axialement L'écrou de réglage 28 porte une couronne dentée conique 29 dans laquelle un pignon conique 30 est en prise Ce pignon conique peut être actionné de l'extérieur par l'inter- médiaire d'une douille hexagonale interne et permet de faire tourner l'écrou de réglage 28 La position axiale de la barre de réglage 25 peut ainsi être déplacée par l'intermédiaire de la section filetée 27 Grâce aux flancs des dents obliques de la barre de réglage 25 et de la barre de support 23 qui glissent les uns sur les autres, la barre de support 23 s'écarte lorsque la barre de réglage 25 est soulevée dans le sens d'une rotation vers la droite, vu du haut, et transmet le mouvement de torsion par l'intermédiaire des barres d'arrêt 20 et 22 à la broche 1 Etant donné que la broche 1 est bloquée plus bas contre toute torsion par la denture cannelée distincte 15, un mouvement de rotation vers la droite produit, dans la zone des barres d'arrêt, un moment de torsion dans la section de broche située entre les barres d'arrêt 20, 22 et la denture cannelée 15 Pour produire une caractéristique élastique relativement souple, cette zone a la forme d'une douille de torsion à parois minces 16. La dilatation axiale de la denture cannelée distincte 15 est limitée à une zone plus courte que celle qui correspond au trajet de coulissement maximum de la broche 1 et du fût 2 Pour permettre un nouveau blocage de la denture cannelée, les extrémités des flancs présentent des biseaux d'entrée 31. L'opération de déclenchement du dispositif d'arrêt est amorcée par une sollicitation en traction ou en compression de la broche 1 Pendant un trajet de coulissement court, les flancs des dents trapézoïdales des barres d'arrêt 20, 22 glissent les uns sur les autres, de sorte que la barre d'arrêt 20 associée à la broche se déplace par rotation vers la droite sous la torsion de la broche 1 La force axiale qui doit être exercée jusqu'à une séparation complète des séries -de dents, s'adapte à la pente des flancs des dents, à la profondeur de la denture, aux constantes élastiques de la douille de torsion 16 et à la précontrainte exercée par la barre de réglage 25 Lors d'une séparation complète des dents, le blocage du mouvement axial libre de la broche 1 est supprimé et celui-ci peut être accéléré en direction de la force imposée jusqu'à ce que les épaulements de percussion viennent en butée. Pendant la première partie du trajet de coulissement, les éléments de la denture cannelée distincte associée à la broche et au fût sont encore en prise Lors de la partie suivante du trajet de coulissement, elles se dégagent l'une de l'autre à la suite de quoi la douille de torsion 16 qui est tordue peut se détendre Ceci fait disparaître également les forces de friction qui sont produites par la pression superficielle sur les extrémités des flancs de la denture cannelée distincte et sur les faces d'about des barres d'arrêt. Lors du réenclenchement du dispositif d'arrêt, le moment de torsion est rétabli par le fait que les flancs de la denture cannelée distincte peuvent peu à peu venir en prise par l'intermédiaire des biseaux d'entrée 31. Grâce à une denture dite de verrouillage des barres d'arrêt 20, 22, ces barres ne peuvent s'engrener l'une l'autre que dans une seule position. il R E V E N D I C A T I O N S 1. Coulisse à percussion mécanique à insérer dans un train de tiges pour des forages profonds, constituée d'un fût dans lequel une broche est mobile dans le sens longitudinal, d'épaulements de percussion opposés sur la broche et le fût, d'une première denture cannelée pour transmettre le moment de torsion le long du train de tiges de la broche au fût et d'un dispo- sitif d'arrêt libérable pour bloquer un déplacement longitudinal relatif de la broche et du fût, le dispo- sitif d'arrêt comprenant des éléments d'arrêt associés respectivement à la broche et au fût, présentant une denture axiale et maintenus en prise avec un élément monté dans un élément d'appui pour le moment de torsion et pouvant être soumis à un effort de torsion, caracté- risée en ce que l'élément ( 16) pouvant être soumis à un effort de torsion est désaccouplé des éléments servant à transmettre le moment de torsion le long du train de tiges de forage. 2. Coulisse à percussion suivant la revendi- cation 1, caractérisée ence que l'élément ( 16) pouvant être soumis à un effort de torsion est désaccouplé au moyen d'une jonction tournante ( 7) de la première denture cannelée ( 13) et tourillonne dans un élément d'appui séparé ( 15) pour le moment de torsion. 3. Coulisse à percussion suivant la revendi- cation 2, caractérisée en ce que l'élément d'appui pour le moment de torsion a la forme d'une denture cannelée. 4 Coulisse à percussion suivant la revendi- cation 2, caractérisée en ce que la jonction tournante ( 7) comprend une jonction vissée à pas de vis trapé- zoldal cylindrique, non bloquée par un contre-écrou. 5. Coulisse à percussion suivant la revendi- cation 2, caractérisée en ce que la partie ( 16) pouvant 15250 être soumise à un effort de torsion a la forme d'une douille de torsion. 6. Coulisse à percussion suivant la revendi- cation 5, caractérisée en ce que la douille de torsion ( 16) peut être tordue a l'intervention de barres ( 23) fixées dans le sens axial et déplaçables dans le sens tangentiel, qui sont en 'prise par l'intermédiaire de surfaces obliques avec des barres ( 25) fixées dans le sens tangentiel et déplaçables dans le sens axial 7 Coulisse à percussion suivant la revend-i- cation 5, caractérisée en ce que les barres ( 23), fixées dans le sens axial et déplaçables dans le sens tangentiel portent, du côté opposé à leurs faces obliques, les éléments d'arrêt ( 22) associés au fût, tandis que les éléments d'arrêt ( 20) associés à la broche sont reliés à la douille de torsion ( 16). 8. Coulisse à percussion suivant la revendi- cation 7, caractérisée en ce que les barres ( 23, 25) et les éléments d'arrêt ( 20, 22) sont opposés par paires. 9 Coulisse à percussion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'une force axiale pouvant déverrouiller le dispositif d'arrêt est déterminée par le degré de torsion de la douille de torsion ( 16) ainsi que par la pente des flancs des éléments d'arrêt ( 20, 22) associés à la broche et au fût. 10. Coulisse à percussion suivant la revendi- cation 9, caractérisée en ce qu'un rapport constant peut être réalisé entre la force de pression pouvant déverrouiller le dispositif d'arrêt et une force de traction par le choix, pour les flancs des deux élé- ments d'arrêt en contact lors de la sollicitation en compression ou en traction, d'une pente conforme à ce rapport. 11. Coulisse à percussion suivant la revendi- 15250 cation 10, caractérisée en ce que les forces axiales pouvant déverrouiller le dispositif d'arrêt peuvent être réglées ensemble conformément à leur rapport établi par le choix de la pente des flancs, par le degré de torsion de la douille de torsion ( 16). 12. Coulisse à percussion suivant l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisée en ce que les barres ( 25) déplaçables dans le sens axial présentent une section filetée ( 27) avec laquelle un écrou de réglage ( 28) fixé dans le sens axial est en prise. 13. Coulisse à percussion suivant la revendi- cation 12, caractérisée en ce que l'écrou de réglage ( 28) est équipé d'une couronne dentée conique ( 29) avec laquelle un pignon conique ( 30) pouvant être actionné de l'extérieur est en prise. 14. Coulisse à percussion suivant la revendi- cation 3, caractérisée en ce que la longueur axiale de la denture cannelée distincte ( 15) est inférieure au trajet de déplacement maximum entre la broche ( 1) et le fût ( 2) et les flancs de la denture présentent des entrées obliques ( 31). 15. Coulisse à percussion suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que le dispositif d'arrêt ( 5) et les dentures cannelées ( 13, 15) se trouvent dans une enceinte remplie d'huile isolée de l'enceinte de rinçage par des joints d'étanchéité ( 17, 18) et, sur la broche ( 1), en dessous de la première denture cannelée ( 13), est prévue une douille extérieure ( 19) dont le diamètre est égal à celui de la broche au niveau du joint d'étan- chéité supérieur ( 17) afin de refouler l'huile de remplissage à travers la zone de la denture cannelée ( 13) lors d'un déplacement longitudinal de la broche ( 1) et du fût ( 2).