Brevet FR2526849A1 — publié le 19831118

La présente invention se rapporte à des trépans de forage à couteaux à rouleaux. En général, les trépans de forage à couteaux et a rouleaux, tels que les trépans de forage de puits de pétrole, les trépans pour trous de mine et les trépans pour travaux miniers peuvent être classés en trépans "étanches" ou "non étanches". Les trépans étanches, qui forment habituellement la ligne de trépans de tête, utilisent des garnitures d'étanchéité en élastomères entre les couteaux rotatifs et les tourillons de paliers, pour empêcher l'intrusion de saletés, de sable, de débris de roches, de liquides corrosifs et d'autres contaminants dans la zone des paliers. Cette réduction de la présence de détritus dans la zone des paliers prolonge la durée de vie des paliers et augmente la longévité de l'aptitude au forage du trépan. Un tel trépan étanche de tête, comportant des garnitures d'étanchéité en élastomère particulièrement bonnes pour les tourillons de paliers, est décrit dans le brevet américain NO 4 037 673 au nom de Daniel.B. Justman, qui est mentionné en tant que référence à l'Art antérieur. Dans le brevet américain NO 4 037 673 précité, on décrit un couteau à rouleaux tronconique de coupe qui est monté en rotation sur un arbre de paliers, par l'interm6- diaire de paliers. Une bague d'étanchéité en élastomère est logée dans une gorge intérieure ménagée dans le couteau et elle est en prise de façon étanche avec l'arbre de paliers. La bague d'étanchéité peut être torique ou de section transversale rectangulaire et elle est montée sous forme de cerclage de compression. La garniture d'étanchéité est de préférence statique par rapport au couteau et dynamique par rapport à l'arbre. Bien que le système d'étanchéité pour trépan de forage suivant le brevet américain NO 4 037 673 constitue une amélioration par rapport aux garnitures d'étanchéité connues à cette époque, telles que par exemple la garniture d'étanchéité décrite dans le brevet américain NO 3 765 494, il présente un inconvénient qui affecte également les systèmes d'étanchéité pour trépans proposés précédemment. Les dispositifs connus d'étanchéité pour trépans utilisent un interface dynamique entre l'élément d'étanchéité en élastomère et soit l'arbre de portée, soit le couteau, soit les deux.En raison du mouvement continu de la garniture d'étanchéité en élastomère contre l'un des éléments niétalliques, ou les deux, il se produit généralement une usure rapide et une détérioration de la surface de la garniture d'étanchéité. On a cherché à ralentir cette usure et cette détérioration par une structure du type à blindage de protection, décrite dans le brevet américain NO 4 037 673 déjà cité, et par un polissage des faces métalliques quf se trouvent en contact avec la garniture, pour obtenir une surface très lisse. La présente invention a pour but d'éviter ou de diminuer les inconvénients précités. La présente invention a pour objet un trépan de forage à couteaux à rouleaux du type comportant une pluralité de branches dirigées vers le bas, dont chacune comporte un tourillon cylindrique qui avance à partir de chaque branche, un corps de couteau monté de façon à pouvoir tourner sur chaque tourillon par l'intermédiaire de paliers et une garniture d'étanchéité placée entre ledit couteau et ledit tourillon du côté extérieur des moyens de portée, caractérisé en ce que: la garniture d'étanchéité comprend un ensemble composite d'étanchéité constitué d'un anneau circulaire rigide, à section transversale sensiblement en L et sur l'extérieur duquel est formée une face d'étanchéité, et un anneau d'étanchéité élastique prévu pour s'ajuster sans jeu sur le pivot et contre l'anneau rigide ; des moyens sont prévus sur l'anneau rigide et le pivot pour empêcher la rotation relative entre l'anneau rigide et l'anneau élastique d'étanchéité ; et la molette comporte une surface d'épaulement intérieure prévue pour venir en contact rotatif et étanche avec la face d'étanchéité de l'anneau rigide. Suivant un autre aspect de la présente invention, celle-ci procure un ensemble d'étanchéité circulaire composite statique-dynamique, pour assurer l'étanchéité de la structure de portée d'un trépan de forage à molettes contre l'intrusion de corps étrangers venant de l'extérieur du trépan, cet ensemble d'étanchéité étant conçu pour se loger entre la molette et le pivot de portée d'un trépan à molettes, cet ensemble comprenant : un anneau dynamique rigide à section transversale sensiblement en L qui présente une face externe d'étanchéité et qui porte des moyens permettant son engagement verrouillé sur le pivot de portée ; et un anneau d'étanchéitG statique élastique prévu pour venir en butée d'étanchéité périphérique statique entre un arbre de portée et l'anneau rigide et qui assure en outre une poussée élastique de 1' anneau rigide axialement sur un arbre de portée contre la molette. La présente invention évite la détérioration de la garniture d'étanchéité en élastomère provoquée par le contact glissant avec des surfaces métalliques, grâce au remplacement de la garniture usuelle unique en élastomère par un dispositif d'étanchéité composite en élastomère et en métal, l'élément métallique assurant l'étanchéité dynamique contre l'élément métallique rotatif du trépan. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de sa forme de réalisation, non limitative, représentée sur les dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une coupe tangentielle d'une partie d'un trépan de forage contenant un dispositif conforme à l'invention - la figure 2 est une coupe tangentielle d'une partie du trépan de forage, qui illustre le dispositif de la figure 1 après rotation de 90 - la figure 3 est une coupe radiale d'un élément métallique caractéristique de la présente invention - - la figure 4 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 3 - la figure 5 est une vue axiale de l'anneau métallique des figures 3 et 4 - la figure 6 est une vup axiale de l'anneau en élastomère suivant l'invention - la figure 7 est une coupe radiale de l'anneau en élastomère de la figure B ; et - les figures 8 et 9 sont respectivement une coupe et une coupe partielle a plus grande échelle de la garniture d'étanchéité suivant l'invention. Les dessins, et plus particulièrement la figure 1, illustrent, en coupe, un dispositif d'étanchéité 10 fabriqué conformément à la présente invention. Ce dispositif comprend un anneau métallique rigide 11, à section transversale en L, qui est en contact de butée avec un anneau d'étanchéité circulaire 12 en élastomère. Le dispositif d'étanchéité 10 est conçu particulièrement pour isoler de façon étanche l'espace annulaire entre une molette rotative de coupe 13 et un pivot de trépan 14. La molette 13 et le pivot 14 sons représentés en coupe et seules les parties concernes sont décrites ci-après. I1 faut noter que la molette 13 et le pivot de portée 14 peuvent être de construction usuelle pour les molettes et pivots utilisés dans les trépans connus. Dans la présente invention, le pivot 14 comporte un arbre de portée 15 sur lequel est formée une surface de portée 16. Près de la surface de portée 16, un épaulement surélevé 17 est formé à la base de l'arbre 15. Une collerette 18 est adjacente à l'épaulement 17 et constitue la barrière extérieure de la cage de la garniture d' étanchéité. La molette 13 présente un alésage intérieur 19 situé concentriquement autour de l'arbre 16, un intervalle ou espace -annulaire 20 étant defini entre l'arbre 16 et l'alésage 19. La molette 13 comporte sur sa face arrière un alésage annulaire 21 de plus grand diamètre, pour définir le logement du dispositif d'étanchéité 10. Une face annulaire 22 est situee-annu- lairement entre les alésages 21 et 19 et elle est perpendiculaire à ces derniers,de façon à constituer le reste de la cage 23 pour le dispositif d'étanchéité. La face annulaire 22 est une partie du dispositif d'étanchéité dynamique associé au dispositif d'étanchéité 10. L'anneau métallique 11, à section transversale en forme de L, possède une branche supérieure de retenue 24 et une branche inférieure de retenue 25. Une surélévation d'étanchéité 26 est formée sur la branche inférieure 25. Le joint circulaire d'étanchéité 12 est placé entre la collerette 18 et l'épaulement 17 et il est en butée avec les branches 24 et 25, en face de la surélévation 26. Les figures 3 et 7 sont des coupes de l'anneau métallique 11 et de l'anneau d'étanchéité 12 en élastomère. L'anneau d'étanchéité 12 est constitué essentiellement par un joint circulaire en élastomère,en forme générale d'entonnoir ou de cone et à section transversale allongée. La partie radialement la plus intérieure, ou épaulement 27, est placée contre le pivot 14 tandis que la partie radialement la plus extérieure, ou épaulement 28, est en butée contre l'anneau 11. Les épaulements 28 et 27 de l'anneau d'étanchéité 12 sont biseautés, comme représenté sur la figure 7, afin d'assurer plus efficacement l'étanchéité contre les surfaces perpendiculaires de la collerette 18 et de l'épaulement 17 et contre les branches perpendiculaires 24 et 25 de l'anneau métallique 11. L'engagement de l'anneau d'étanchéité 12 en élastomère et de l'anneau métallique 11 est représenté en coupe sur la figure 8 et en coupe partielle à plus grande échelle sur la figure 9. On se reporte maintenant à la figure 5. L'anneau métallique 11 à section en L est. représenté en vue axiale en bout illustrant les moyens qui empêchent la rotation de l'anneau métallique sur l'arbre de portée 16. On voit, sur la figure 5, que l'anneau 11 à section en L comporte deux languettes intérieures opposées 30, formées dans la périphérie intérieure de l'anneau et se projetant radialement vers l'intérieur. De même, deux méplats opposés 29 sont usinés sur l'épaulement 17 du pivot 14. Les méplats 29 et les languettes 30 sont complémentaires, ce qui permet une mise en place verrouillée de l'anneau 11 sur l'épaulement 17. Alors que la figure 5 est une vue axiale en bout de l'anneau 11 verrouillé sur le pivot 14, la figure 2 est une vue de côté en coupe du dispositif d'étanchéité monté sur le pivot 14.La figure 2 est une vue semblable à la figure 1, mais en un point décalé d'un angle de 900 par rapport à la figure 1. L'orientation des figures 1 et 2 est indiquée sur la figure 5 par les lignes de coupe 1-1 et 2-2. La l gille ii coupa 1-i concerne la vue en coupe de la figure 1 et la ligne de coupe 2-2 concerne la vue en coupe de la figure 2. En fonctionnement, le dispositif d'étancheité suivant l'invention est installé dans un trépan de forage, par introduction de l'anneau d'étanchéité 12 en élastomère sur l'arbre de portée 15 et emmanchement libre sur l'épaulement 17. On fait ensuite glisser l'anneau métallique dynamique 11 à section en L sur l'arbre de portée 15, de façon a venir en butée contre l'anneau d'étanchéité 12 en élastomère. Lorsque l'anneau d'étanchéité 12 et l'anneau métallique 11 sont correctement mis en place sur l'arbre 15 et l'épaulement 17, la molette 13 est assemblée sur le pivot. La face annulaire polie 22 de la molette 13 est mise en contact avec la surélévation d'étanchéité complémentaire formée sur la branche 25 de l'anneau 11. Le contact de butée de l'anneau 11 avec l'anneau d'étanchéité 12 et entre l'anneau d'étanchéité 12 et la collerette 18 assure l'étanchéité statique entre la molette et le pivot. Le contact de butée de la surélévation 26 avec la face 22 assure l'etan- cheité dynamique entre ces éléments. Comme représenté sur la figure 5, la rotation de l'anneau métallique 11 sur le pivot 14 est empêchée par la présence des languettes intérieures opposées 30, associées aux méplats 29 formés sur l'épaulement 17. Le restant de l'épaulement 17, en association avec les languettes 30, verrouille l'anneau 11 sur le pivot 14 et empêche la rotation de l'anneau il pendant la rotation de la molette 13 sur le pivot.D'autre part, il faut noter que l'anneau 11 et l'anneau d'étanchéité 12 ont une dimension telle que, lorsque la molette 13 est fixée en rotation sur le pivot de portée 14, l'anneau d'étanchéité 12 est place en compression suffisante pour maintenir l'anneau 11 appliqué à frottement doux contre la face 22. La nature élastique de l'anneau d'étanchéité 12 ainsi que sa configuration géométrique lui permettent d'agir comme une rondelle élastique Belleville contre l'anneau 11, pour maintenir celui-ci en contact étroit avec la face d'étanchéité 22 de la molette 13. De même, les extrémités biseautées 27 et 28 de l'anneau d'étanchéité 12 maintiennent un alignementcorrect de l'anneau entre la collerette 18, l'épaulement 17 et la partie en L de l'anneau 11. Cet alignement aide également à maintenir l'anneau 11 en alignement correct contre la face 22. L'anneau d'étanchéité en élastomère et l'anneau métallique peuvent être réalisés en tout élastomère utilisé dans les garnitures d'étanchéité actuelles, en ce qui concerne l'anneau d'étanchéité, et en tout bon acier allié ou acier au chrome ou alliage cuivre-bérylium, en ce qui concerne l'anneau métallique. Par exemple, un élastomère convenant tout particulièrement pour l'anneau d'étanchéité est un caoutchouc de silicone ayant de bonnes caractéristiques de tenue à la température et une mauvaise résistance à la détérioration dynamique. Du fait de la nature statique de l'anneau d'étanchéité, une résistance élevée à la détérioration dynamique n'est pas nécessaire et le caoutchouc de silicone permet d'obtenir une étanchéité très avantageuse.En raison de la nature du système d'étanchéité de la présente description, c'est- -dire de la nature statique de l'anneau d'étanchéité en élastomère, les caractéristiques de l'anneau d'étanchéité 12 en élastomère peuvent être choisies indépendamment de toute considération de résistance à l'usure dynamique. Certaines caractéristiques peuvent être sélectivement améliorées,par exemple, la résistance à la température et/ou la résistance aux fluides corroi sifs. I1 est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif d'étanchéité pour trépan de forage à molettes suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Par exemple, alors que l'anneau d'étanchéité en élastomère décrit ci-dessus a la forme d'un anneau tronconique, il est entendu que d'autres configurations géométriques de l'anneau d'étanchéité en élastomère peuvent être utilisées. REVENDICATIONS 1. Trépan de forage à molettes du type comportant une pluralité de branches dirigées vers le bas, un pivot cylindrique partant de chaque branche, un corps de molette étant monté en rotation sur chaque pivot par l'intermédiaire de moyens de portée et une garniture d'étanchéité étant placée entre la molette et le pivot du cote extérieur des moyens de portée, caractérisé en ce que : l'étanchéité comprend un dispositif composite d'étanchéité (10}constituX d'un anneau circulaire rigide (11), à section transversale sensiblement en L et sur lequel est formée extérieurement une face d'étanchéité (26), et d'un anneau élastique d'étanchEitd (12) qui peut s'appliquer sans jeu sur le pivot (14) et contre l'anneau rigide (11) ; des moyens (29,30) sont prévus sur l'anneau rigide (11) et le pivot (14) pour empêcher la rotation relative entre l'anneau rigide (11) et l'anneau d'étanchéité élastique (12) ; et la molette (13) comporte une surface d'épaulement intérieure (22) prévue pour venir en contact rotatif et étanche avec la face d'étanchéité (26) de l'anneau rigide (11). 2. Trépan suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau rigide (11) est en métal et l'anneau élastique (12) d'étanchéité est en élastomère. 3. Trépan suivant la revendications 1 ou 2, carac térisé en ce que l'anneau d'étanchéité (12) est de forme sensiblement tronconique. -4. Trépan suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'anneau élastique d'étanchéité (12) est réalisé en une matière qui possède de bonnes qualités d'étanchéité statique et une bonne résistance à la détrIora- tion à température élevée. 5. Trépan suivant l'une quelconque des revendicationsprécédentes, caractérisé en ce que l'anneau élastique d'étanchéité (12) est réalisé en une matière qui possède de bonnes qualités d'étanchéité statique et une bonne résistance aux fluides corrosifs. 6. Trépan suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anneau élastique d'étanchéité (12) est en caoutchouc de silicone. 7. Trépan suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anneau métallique(11) est réalisé en un métal dur choisi dans le groupe comprenant un métal coulé, la fonte, l'acier, l'acier allié, un alliage d'aluminium et un alliage cuivre-bérylium. 8. Dispositif d'étanchéité circulaire statiquedynamique composite, pour l'étanchéité de la structure de portée d'un trépan de forage à molettes, afin d'empêcher l'intrusion de corps étrangers venant de l'extérieur du trépan, ce dispositif d'étanchéité étant conçu pour se loger entre la molette (13) et le pivot de portée d'un trépan à molettes, caractérisé en ce qu'il comprend : un anneau dynamique rigide (11) à section transversale sens lement en L, qui présente une face externe d'étanchéité (26) et porte des moyens (30) permettant sa mise en place verrouillée sur le pivot de portée (14) ; et un anneau d'étanchéité statique élastique (12), prévu pour venir en contact de butée d'étanchéité périphérique statique entre un arbre de portée et l'anneau rigide (11) et pour exercer une poussée élastique de l'anneau rigide axialement sur un arbre de portée contre la molette (13) 9. Dispositif d'étanchéité (10) suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'anneau élastique d'étanchéité (12) est réalisé en élastomère possédant une bonne capacité d'étanchéité statique et une bonne résistance à la détérioration à température élevée. 10. Dispositif d'étanchéité (10) suivant la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que l'anneau d'étanchéité est en caoutchouc de silicone. 11. Dispositif d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'anneau d'étanchéité est de forme tronconique. 12. Dispositif d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que l'anneau rigide est réalisé en métal dur choisi dans le groupe comprenant un métal fondu, la fonte, l'acier, l'acier allié, un alliage d'aluminium et un alliage cuivre-bérylium.