Brevet FR2512101A1 — publié le 19830304

Mécanisme de vérin pour tour de forage. La présente invention concerne des tours de forage de puits comportant un mécanisme de vérin per- fectionné en vue de déplacer verticalement une tige de forage. Jusqutà présent, pour faire descendre un tubage dans un puits, on a décrit des mécanismes de vérins constitués de deux mécanismes à pistons et cy- lindres pouvant être localisés dans une tour de forage de différents côtés de l'axe d'un puits et conçus pour -animer une des deux unités supportant les tiges d'un mouvement ascendant et descendant par rapport à l'au- tre. La présente invention fournit des mécanismes de vérins perfectionnés de ce type général qui sont particulièrement conçus pour passer plus aisément des conditions de forage aux conditions de descente d'un tubage dans une tour de forage A cet effet, le méca- nisme de vérin est conçu de telle sorte qu'une de ses parties, avantageusement l'élément à piston/cylindre, puisse rester dans la tour au cours du forage sans pour autant se départir de l'opération de forage Une struc- ture venant en prolongement peut alors être assemblée à l'élément à piston/cylindre après le forage en vue d'effectuer un mouvement ascendant et descendant et réaliser ainsi l'opération de montée et de descente. Dans une forme de réalisation de l'invention, la ta- ble rotative peut être supportée par l'élément à pis- ton/cylindre au cours du forage. Dans les dessins annexés la figure 1 illustre une tour suivant l'in- vention au cours d'un forage; la figure 2 est une vue agrandie d'une par- tie de la figure 1; la figure 3 est une vue en plan prise sui- vant la ligne 3-3 de la figure 2; la figure 4 illustre l'appareil représenté en figure 2 dans les conditions de montée/descente; la figure 5 est une coupe verticale prise suivant la ligne 5-5 de la figure 4; la figure 6 est une coupe verticale d'une deuxième forme de réalisation d'une tour de forage; la figure 7 est une vue en plan prise sui- vant la ligne 7-7 de la figure 6; la figure 8 illustre une autre forme de réalisation de l'invention au cours du forage; et la figure 9 illustre le système représenté en figure 8, l'appareil à vérin étant mis en place. La tour de forage 10 illustrée en figure 1 comprend le mât ou le pylône habituel Il ressortant vers le haut et comportant un plancher 12 espacé au- dessus du sol 13 et supporté par une sous-structure 14 Via un c Able 16, un treuil de manoeuvre 15 fonc- tionne pour faire monter et descendre une poulie mo- bile 17 par rapport à une poulie de renvoi 18-afin de suspendre et de faire descendre progressivement une tige de forage 19 qui est entraînée en rotation sur un axe vertical 20 au moyen d'une table rotative classi- que 21 en vue de forer le puits La table rotative 21 comporte un corps 22 à l'intérieur duquel est monté un profilé essentiellement annulaire 23 effectuant une rotation relative sur l'axe 20 à l'intervention de paliers 24 Une douille maîtresse 25 et une douille d'entraînement 26 se trouvant à l'intérieur d'une ou- verture centrale 27 du profilé 23 entraînent une par- tie non circulaire 28 du train de tiges Le profilé 23 est entratné sur l'axe 20 par le treuil de manoeu- vre 15 via une chaîne 29 et un pignon 30 sur l'arbre d'entraînement de la table rotative Lorsqu'elle n'est pas utilisée, la table rotative 21 peut être retirée complètement de la tour de forage. Le mécanisme de vérin 31 (figure 4) comporte deux unités à piston et cylindre 32 et 33 supportant deux poutres supérieure et inférieure 34 et 35, les- quelles soutiennent deux unités 36 et 37 accrochant ou supportant le tubage, ces deux unités 32 et 33 sup- portant également la table rotative 21 lorsque l'ap- pareil est dans les conditions de forage comme repré- senté en figure 2 Les mécanismes 32 et 33 comportent chacun un cylindre extérieur 38 s'étendant verti- calement et un piston 39 pouvant être animé d'un mouvement ascendant et descendant le long d'un axe vertical 40 ou 41 par un fluide sous pression pompé dans l'extrémité inférieure ou l'extrémité supérieure du cylindre De préférence, les axes 40 et 41 sont parallèles à et situés sur des côtés diamétralement opposés de l'axe 20 Lorsque les pistons sont dans leur position inférieure extrême comme représenté en figure 2, les surfaces supérieures 43 de leurs tiges 42 sont situées dans le même plan horizontal 44 que les surfaces supérieures extrêmes 45 des cylindres 38. Les cylindres sont fermés à leur extrémité inférieure par des plaques de base horizontales 65 qui peuvent venir prendre appui sur des pieds en béton supportant les cylindres à l'écart du sol. La poutre 35 s'étend entre les extrémités supérieures des cylindres 38 et elle constitue une structure rigide qui peut être formée d'un certain nombre de pièces métalliques reliées entre elles, mais qui est spécifiquement représentée sous forme d'un corps essentiellement d'une seule pièce Cette poutre comporte une ouverture centrale 46 à travers laquelle le train de tiges et le tubage peuvent s'étendre, ainsi que deux ouvertures cylindriques 47 centrées autour des axes 40 et 41 et à l'intérieur desquelles les extrémités supérieures et extérieure- ment cylindriques 138 des cylindres 38 viennent s'adap- ter avec un ajustage serrant Sur la surface extérieu- re de chaque cylindre 38, est soudé un anneau 48 for- mant un épaulement annulaire 49 orienté vers le haut et sur lequel vient prendre appui la surface horizon- tale inférieure 50 de la poutre 35 qui est ainsi sou- tenue Les ailes 48 peuvent être renforcées par des entretoises triangulaires 51 soudées aux cylindres et aux ailes De préférence, la surface supérieure 52 de la poutre 35 est horizontale et parallèle à la surface inférieure 50 et elle est située dans le même plan horizon- tal que les extrémités supérieures 43 et 45 des pis- tons et des cylindres dans les conditions illustrées en figure 2 La table totative 21 est supportée sur cette surface supérieure horizontale 52 de la poutre , tandis qu'elle peut être localisée et empêchée de tourner au moyen d'ergots de localisation 152 fixés à la poutre et ressortant vers le haut dans des cavités ménagées dans la table rotative De préférence, la- surface 52 est située à une courte distance en dessous du niveau du plancher 12 de la tour de forage de telle sorte que la partie supérieure de cette table rotative soit alors à peu près en alignement avec ou qu'elle ressorte légèrement au-dessus de la surface supérieure de ce plancher. Lorsqu'on fait descendre un train de tiges de tubage 52 dans le puits, on retire la table rota- tive 21 de la Poutre 35, tandis que l'on assemble la poutre supérieure 34 aux mécanismes à piston/cylindre commne représenté, en figure 4 Afin de fixer la poutre 34 aux tiges de pistons 42, on prévoit deux prolonge- ments en forme de-barres 54 comportant des parties inférieures en forme de broches 55 qui peuvent être 2 512101 extérieurement cylindriques et viennent s'adapter avec un ajustage serrant dans des trous cylindriques 56 pra- tiqués dans les barres 52 afin de localiser les prolon- gements 54 de telle sorte qu'ils ressortent vers le haut en alignement avec les barres 42 Les prolonge- ments 54 comportent des épaulements annulaires 57 dirigésvers le bas et pouvant venir s'engager sur les extrémités supé- rieures des barres 42 afin de supporter ces prolonge- ments 54 Au-dessus des épaulements 57, les prolonge- ments 54 ont des surfaces extérieures de plus grand diamètre 58 dont les extrémités supérieures viennent s'adapter avec un ajustage serrant à l'intérieur de trous cylindriques 59 pratiqués dans la poutre 34 à des endroits diamétralement opposés Des anneaux 60 soudés aux parties 58 des prolongements 54 peuvent venir s'engager sur la surface inférieure horizontale 61 de la poutre 34 afin de la supporter dans la posi- tion illustrée en figure 4 dans laquelle les extrémités supérieures 62 des prolongements en forme de barr E 54 se terminent dans un plan horizontal 63 renfermant la surface horizontale supérieure 64 de la poutre 34. Un passage central 159 ménagé dans la poutre 34 est en alignement vertical avec une ouverture 46 prati- quée dans la poutre inférieure 35 de telle sorte que le tubage 53 puisse passer au travers. Les deux unités d'accrochage 36 et 37 peu- vent être identiques et d'un type connu comportant, comme représenté en figure 5, un corps rigide annulai- re extérieur 66 ayant des surfaces intérieures incli- nées vers le bas en forme de cuvettes 67 sur lesquelles peuvent venir s'engager des coins de sûreté 68 qui, en effectuant un mouvement vers le bas, viennent s Ien- gager et se caler sur le tubage Les surfaces inté- rieures 69 des coins de sûreté comportent des matrices ou dents d'accrochage 70 d'une configuration leur permettant de venir mordre dans le tubage qui est ainsi supporté Les coins de sûreté sont suspendus à un anneau 71 par des articulations 72 leur permettant d'effectuer un mouvement vers l'intérieur et vers l'extérieur lorsqu'ils sont actionnés vers le haut et vers le bas entre des positions inférieures d'accro- chage et des positions supérieures de dégagement au moyen de mécanismes à piston/cylindre 73 espacés sur la circonférence et dont les cylindres sont assemblés au corps 66 et dont les pistons sont assemblés à l'an- neau 71. Au cours du forage (figures 1 et 2), les mécanismes à piston/cylindre 32 et 33 supportent la poutre 35 et la table rotative 21, tandis que cette dernière est entratnée par le treuil de manoeuvre 15 pour faire tourner la tige d'entraînement 28 et le reste du train de tiges Des forces verticales sont transmises vers le bas de la table rotative jusqu'au sol via la poutre 35 et les mécanismes à piston/cylin- dre 32, 33 En conséquence, la sous-structure 14 peut être construite plus économiquement que dans le cas o ces forces sont transmises au sol via l'ossature de la tour de forage Après le forage, on retire le train de tiges et la table rotative 21, on introduit les prolongements en forme de barres 54 vers le bas dans les extrémités supérieures des tiges de pistons 42 (figure 4) et l'on fait glisser la poutre supérieure 34 vers le bas sur les deux prolongements en forme de barres 54 pour l'amener dans la position illustrée en figure 4 On place les unités d'accrochage 36, 37 sur les poutres 34 et 35 en alignement avec l'axe 20 et elles sont localisées de n'importe quelle manière ap- propriée, par exemple, en venant se loger entre les ergots de localisation 152 et 252 ressortant vers le haut des surfaces supérieures des poutres On peut alors faire descendre le tubage en déplaçant l'unité supérieure d'accrochage 36 vers le haut et vers le bas et en actionnant alternativement les deux unités d'ac- crochage de telle sorte qu'elles viennent s'accrocher sur le tubage On peut tout d'abord actionner les -cins desiûreté de l'unité d"amcrochage infér -eure, -37 de telle sorte qu'ils viennent s'accrocher sur le tuba- ge 52, tandis que les pistons 39 sont déplacés vers le haut à l'intérieur des cylindres 38 pour amener la poutre 34 et ltunité d'accrochage supérieure 36 (dont les coins de sûreté sont dégagés) dans une position élevée (lignes en traits discontinus en figure 4). L'unité d'accrochage supérieure peut alors être ac- tionnée pour accrocher le tubage tandis que l'unité d'accrochage inférieure est dégagée, après quoi les pistons 39 peuvent laisser descendre la poutre 34 et ltunité d'accrochage 36, faisant ainsi avancer le tu- bage 53 vers le bas dans le puits Lorsque l'unité d'accrochage 36 a atteint sa position inférieure ex- trême (lignes en traits pleins en figure 4)', l'unité d'accrochage 37 peut être actionnée pour accrocher à nouveau la tige qui y est ainsi suspendue, tandis que l'unité d'accrochage 36 est dégagée et déplacée vers le haut pour revenir dans sa position supérieure ex- trême (lignes en traits discontinus) en vue de répé- ter le cycle de descente Un fluide sous pression est acheminé aux extrémités supérieures et inférieu- res des cylindres et aux cylindres de commande 73 des unités d'accrochage 36 et 37 à partir d'une source 75 (figure 1) sous la commande dtune console actionnée manuellement 76 installée sur le plancher de la tour de forage. Les figures 6 et 7 illustrent, en variante, un système comportant deux mécanismes à piston/cylin- dre 32 a et 33 a supportés à l'écart du sol sur une par- tie 47 a d'une sous-structure 14 a par laquelle est monté le plancher 12 a d'une tour de forage Une pou- tre inférieure 35 a est supportée par les extrémités supérieures des cylindres 38 a des mécanismes 32 a et 33 a, ce support étant assuré par des rebords ou épaule- ments 48 a soudés ou fixés rigidement d'une autre ma- nière aux cylindres, près des extrémités supérieures de ceux-ci Les parties 77 des cylindres qui sont situées au-dessus des rebords 48 a, ressortent vers le haut dans des ouvertures 46 a pratiquées dans la poutre a La poutre 35 a est empêchée d'effectuer un mouve- ment horizontal au moyen de broches 78 s'étendant à travers des ouvertures pratiquées dans des goussets d'assemblage alignés 79 fixés à la poutre et à deux éléments parallèles d'ossature ou poutres en "ti' 80 fixés rigidement aux parties verticales 81 de l'ossa- ture ou de la sous-structure 14 a de la tour de forage. La table rotative 21 a repose sur la poutre 35 a, tandis qu'elle est localisée par rapport à cette dernière et empêchée de tourner par des ergots représentés en 152 a, si bien que cette table rotative peut fonctionner pour faire tourner et supporter le train de tiges au cours d'une opération de forage. Après le forage, on retire la table rotati- ve 21 a eton adapte l'assemblage 82 de la poutre supé- rieure aux extrémités supérieures des tiges 42 a des pistons 39 a Cette structure 82 comprend une poutre supérieure essentiellement horizontale 34 a ayant deux prolongements en forme de barres 54 a ressortant vers le bas et pouvant être soudés rigidement à la poutre 34 a Des goussets 83 peuvent être soudés à la poutre 34 a et aux prolongements en forme de barres 54 a afin d'assurer la rigidité de l'ensemble de la structure. Les prolongements 54 a comportent des parties infé- rieures en forme de broches 55 a ressortant vers le bas et pénétrant dans les tiges de pistons 42 a, les pro- longements 54 a étant supportés suite à l'engagement des épaulements 57 a des prolongements dans les extrémités supérieures des tiges de pistons Deux unités dtac- crochage 36 a correspondant aux unités 36 et 37 de la figure 4 sont placées sur les poutres 34 a et 35 a afin d'accrocher alternativement un train de tiges de tuba- ge pour le laisser descendre progressivement suite à un mouvement vertical de va-et-vient de la poutre supé- rieure 34 a vis-à-vis de la poutre inférieure 35 a. Dans le système illustré dans les figures 8 et 9, la table rotative 21 b n'est pas supportée par les deux mécanismes à piston/cylindre 32 b et 33 b, mais plutôt par les poutres habituelles en "I" 84 qui s'é- tendent horizontalement et parallèlement I Hune à l'au- tre à travers l'ouverture 85 pratiquée dans le plan- cher 12 b de la tour de forage A leurs extrémités op- posées, les poutres 84 sont assemblées rigidement à la sous-structure 14 et leurs surfaces supérieures 86 sont situées dans un plan horizontal 87 pour venir s'engager sur la surface inférieure 88 de la table rotative qui est ainsi supportée Les mécanismes 32 b et 33 b peuvent être analogues aux mécanismes 32 et 33 des figures 1 à 5 et ils comportent chacun un cylindre vertical extérieur 38 b et un piston 39 b pourvu d'une tige tubulaire 42 b ressortant vers le haut dont la surface supérieure en bout 89 est située, dans la posi- tion inférieure extrême du piston (figure 8), au ras de la surface supérieure en bout 90 du cylindre 38 be ces surfaces 89 et 90 étant situées dans le plan horizontal précité 87 des surfaces supérieures des poutres en II' 84 qui supportent la table rotative Les deux cylin- dres peuvent être localisés l'un par rapport à l'autre et par rapport aux poutres en "I' 84 en prévoyant une plaque ou un gabarit 91 s'étendant horizontalement et serré sur les surfaces inférieures des poutres en "I" d'une manière appropriée, par exemple, par des attaches en "JI 92 venant s'engager sur les ailes in- férieures des poutres en "I" 84 et ressortant vers le bas à travers des ouvertures pratiquées dans le gaba- rit 91, des écrous 93 étant vissés sur les extrémités inférieures des attaches 92 afin de les serrer vers le bas en les engageant sur les ailes des poutres en "I". Les cylindres 38 b s'étendent avec un ajustage serrant dans des ouvertures 94 pratiquées dans le gabarit 91 afin de localiser les cylindres par rapport à ce der- nier. Deux prolongements 54 b des tiges de pistons comportent des extrémités inférieures en forme de bro- ches 55 b venant s'engager dans les tiges de pistons 42 b, de même que des épaulements 57 b dirigés vers le bas et venant s'engager sur les extrémités supérieures des tiges de pistons pour supporter les éléments 54 b sur ces dernières Les extrémités supérieures 95 de dia- mètre réduit des prolongements 54 b ressortent à travers des ouvertures 96 pratiquées dans la poutre supérieure 34 b et elles peuvent être maintenues en relation d'as- semblage par des bagues à déclic 97, la poutre 34 b prenant appui sur des épaulements annulaires 98 formés sur les parties 54 b Deux unités d'accrochage 36 b et 37 b correspondent aux unités d'accrochage 36 et 37 de la figure 4 et elles prennent appui sur les deux pou- tres 34 b et 35 b respectivement La poutre 35 b prend appui sur des rebords 48 b formés aux extrémités supé- rieures des cylindres 38 b, la poutre 35 b comportant des ergots de localisation 99 ressortant vers le bas à différents endroits autour des rebords 48 b de façon à localiser la poutre sur les cylindres afin que les éléments 54 b viennent se loger dans des ouvertures 100 pratiquées dans la poutre 35 b. Au cours du forage, on localise la table rotative 21 b sur les poutres en "Ill 84 qui transmettent les forces verticales de la table rotative à la sous- structure Au cours du forage, les pistons 39 b occu- pent leur position inférieure extrême, si bien que les extrémités supérieures des cylindres et des pistons sont alignées horizontalement avecou situées au ras des surfaces supérieures 86 des poutres en "'1 " 84, évitant ainsi toute interférence avec la table rotative Après le forage du puits, on retire le train de tiges et la table rotative, tandis que l'on amène la poutre 35 b dans la position illustrée en figure 9 dans laquelle elle est supportée par les cylindres 38 b, lui permet- tant ainsi de venir s'engager sur et être supportée par les poutres en l'Ill 84 On introduit alors les prolongements en forme de barres 54 b vers le bas dans les tiges de pistons 42 b, tandis que lton assemble la poutre supérieure 34 b aux prolongements 54 b, après quoi on installe les unités d'accrochage 36 b et 37 b sur les poutres 34 b et 35 b, l'opération de montée et de descente pouvant alors être effectuée de la manière décrite précédemment. REVENDICATIONS 1 Mécanisme de vérin devant être localisé dans une tour de forage de puits et pouvant fonction- ner pour faire tourner un train de tiges sur un axe, cette tour comportant un élément en vue de faire des- cendre progressivement le train de tiges le long de cet axe lors du forage du puits, ce mécanisme de vérin comportant une unité pouvant fonctionner pour suppor- ter de manière amovible une tige de forage de puits, ainsi qu'un élément actionné par un moteur et diffé- rent de cet élément faisant descendre le train de tiges, afin d'animer cette unité d'un mouvement verti- cal de va-et-vient de telle sorte que cette tige puis- se se déplacer le long de cet axe, caractérisé en ce qu'au moins une partie de ce mécanisme de vérin est construite pour rester dans la tour au cours du fora- ge à un endroit évitant toute interférence entre la tour et l'opération de forage du puits. 2 Mécanisme de vérin suivant la revendica- tion 1, caractérisé en ce que cette partie de ce mécanisme est conçue pour supporter une table rotati- ve de la tour au cours du forage. 3 Mécanisme de vérin suivant l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième unité pouvant fonctionner pour supporter de manière amovible une tige de forage de puits et vis-à-vis de laquelle la première unité est animée d'un mouvement vertical de va-et-vient par l'élément actionné par un moteur. 4 Mécanisme de vérin suivant l'une quelcon- que des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie du mécanisme qui reste dans la tour, comprend un élément à piston/cylindre actionné par la pression d'un fluide et constituant ltélément précité actionné par un moteur. Mécanisme de vérin suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième partie pouvant être as- semblée de manière amovible à la partie mentionnée en premier lieu afin de supporter et d'actionner celle-ci, cette deuxième partie étant conçue pour être retirée de la tour au cours du forage. 6 Mécanisme de vérin suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie subsistant dans la tour au cours du forage comprend l'élément actionné par un moteur ayant la forme de deux cylindres conçus pour être supportés sur des cotés différents de cet axe, ainsi que deux pistons pouvant effectuer un mouvement vertical, ce mécanisme comportant une structure de prolongement pouvant être assemblée de manière amovible aux pistons précités et conçue pour ressortir vers le haut à l'écwart de ces derniers et pour s'étendre entre les pistons en supportant l'unité mentionnée en premier lieu de telle sorte qu'elle puisse être actionnée verticalement par les pistons. 7 Appareil de forage de puits, caracté- risé en ce qu'il comprend un élément à piston/cylin- dre; une table rotative supportée par cet élément à piston/cylindre et pouvant être actionnée par un moteur pour faire tourner un train de tiges de forage sur un axe; et une unité en vue de maintenir d'une manière amovible une tige de forage de puits, cette unité pouvant être animée d'un mouvement ascendant et descendant par l'élément à piston/cylindre. 8 Procédé de forage d'un puits en utili- sant une tour pouvant fonctionner pour faire tourner un grain de tiges sur un axe et comportant un élément en vue de faire descendre progressivement ce train de tiges au fur et à mesure que le puits est foré, puis pour faire descendre un tubage dans ce puits au moyen d'un mécanisme de vérin qui est situé dans la tour et qui comporte une unité pouvant fonctionner pour sup- porter de manière amovible une tige de forage de puits, de même qu'un élément actionné par un moteur et diffé- rent de cet élément faisant descendre le train de tiges afin d'animer cette unité d'un mouvement vertical de va-et-vient, caractérisé en ce que, au cours du forage du puits, on laisse au moins une partie de ce mécanisme de vérin dans la tour à un endroit évitant toute inter- férence entre cette tour et l'opération de forage du puits. 9 Procédé suivant la revendication 8, ca- ractérisé en ce que la partie du mécanisme de vérin qui reste dans la tour au cours du forage,est l'élé- ment actionné par un moteur, ce procédé consistant à déplacer une deuxième partie de ce mécanisme de vérin comportant cette unité dans une position active dans la tour au terme de l'opération de forage. 10 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que, au cours du forage, une table rotative de la tour de forage est supportée par la partie du mécanisme de vérin qui subsiste dans cette tour au cours du forage.