Brevet FR2533002A1 — publié le 19840316

La présente invention concerne un dispositif de verrouillage pour un outil formé d'une broche et d'un fût pouvant coulisser de manière télescopique, qui forment entre eux un espace annulaire dans lequel sont disposés des éléments de verrouillage en forme de corps roulants et des éléments de contrepartie pourvus de surfaces obliques, une partie des éléments de contrepartie pouvant coulisser axialement à l'encontre de la sollicitation d'un ressort et une autre partie étant fixée axialement dans l'état de verrouillage. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de verrouillage pour une coulisse de battage hydraulique destinée à des forages profonds, formé d'un fût tubulaire et d'une broche disposée dans ce fût comportant des épaulements de battage réciproques, une chambre remplie d'un liquide de travail qui présente un étranglement et des zones de plus grand diamètre, un piston et des valves prévus sur la broche qui, lors du passage du piston à travers l'étranglement dans un sens, étranglent la sortie du liquide de travail de la chambre et, dans l'autre sens, libèrent l'entrée dans la chambre ainsi que des éléments de verrouillage en forme de corps roulants et des éléments de contrepartie présentant des surfaces obliques dans un espace annulaire, une partie des éléments de contrepartie pouvant coulisser axialement à l'encontre de la sollicitation du ressort et une autre partie étant fixée axialement dans l'état de verrouillage. Dans la technique des forages profonds, on utilise de nombreux outils qui peuvent être amenés d'une première position de travail dans une seconde position de travail par le coulissement télescopique de deux parties disposées l'une dans l'autre Dans ce cas, la première position de travail est souvent la position dans laquelle l'activité de forage normale se déroule, tandis que la seconde position, selon le type d'outil, sert par exemple à bloquer une partie tournante, à déverrouiller un dispositif de battage ou à titre d'élément d'un dispositif de battage, à libérer le mouvement relatif de la broche et du fût, ainsi qu'à activer des dispositifs de sécurité et à séparer des parties du train de tiges de forage. Un dispositif de verrouillage est dans ce cas toujours prévu pour empêcher que le coulissement télescopique soit provoqué involontairement par les forces axiales habituelles dans le fonctionnement normal Pour le déverrouillage, une surcharge axiale doit être exercée et permet alors d'amener l'outil dans la seconde position. Un dispositif de verrouillage du type défini plus haut est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n O 2 678 805, ce dispositif servant, dans le cas d'une coulisse de battage, à bloquer le mouvement relatif libre d'une broche dans un fût jusqu'à ce qu'une surcharge axiale soit atteinte. Les éléments de verrouillage sont formés par des corps roulants cylindriques qui sont contenus et fixés axialement et radialement dans des logements d'une broche Des éléments de contrepartie qui coopèrent avec ces éléments de verrouil- lage sont constitués d'une partie pouvant coulisser à tout moment dans le sens axial à l'encontre de la sollicitation d'un ressort et d'une partie pouvant aussi coulisser axialement, mais s'appliquant dans la position de verrouil- lage contre une butée, cette partie comportant trois bras pouvant pivoter vers l'intérieur. Les deux types d'éléments de contrepartie comportent, sur leurs faces tournées l'une vers l'autre, des surfaces obliques qui peuvent glisser l'une sur l'autre lors d'un pivotement des bras vers l'intérieur ou vers l'extérieur sous l'effet d'une modification de la position axiale réciproque des éléments de contrepartie Les bras pivotants des éléments de contrepartie comportent d'autres surfaces obliques qui-, dans la position de verrouillage, sont appliquées contre les corps roulants de sorte que, lorsqu'une force est exercée sur la broche, les corps roulants roulent sur les surfaces obliques des bras pivotants, ce qui a pour effet d'écarter ces bras et de les amener, au moyen de leurs autres surfaces obliques qui sont en prise avec -les autres parties des éléments de contrepar- tie, dans l'axe d'un ressort à l'encontre de la sollicita- tion de ce dernier L'écartement des bras pivotants rend possible le coulissement axial libre de la broche avec les - corps roulants Pour des outils destinés à des forages profonds, -les forces habituellement nécessaires pour le déverrouillage d'un dispositif de verrouillage, étant donné qu'elles doivent pouvoir être distinguées suffisamment des forces axiales normales, peuvent aller jusqu'à quelques 105 N Dans ce cas, l'usure du dispositif de déverrouillage et la sollicitation du matériel doivent être les plus faibles possibles Dans le cas du dispositif décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 2 678 805, au moment d'une sollicitation en traction axiale de la broche, on observe une forte contrainte de flambage des bras pivotants et, en outre, pendant l'opération de déverrouillage, une friction entre les surfaces obliques des bras pivotants et les surfaces obliques des éléments de contrepartie pouvant coulisser -axialement à,l'encontre de la sollicitation d'un ressort. L'invention a par conséquent pour but de perfectionner un dispositif de verrouillage pour un outil formé d'une broche et d'un fut pouvant coulisser télescopiquement, d'une 3 o manière telle que l'usure et les sollicitations du matériel sous l'effet des forces habituelles en service soient faibles, tant et si bien que même après des cycles de verrouillage et de déverrouillage répétés, on puisse obtenir- des résultats constants et reproductibles. Ce but est atteint en ce sens que, dans le dispositif de verrouillage du type indiqué ci-dessus, les éléments de verrouillage sont mobiles radialement par rapport à l'axe de l'outil et la partie fixée axialement des éléments de contrepartie est d'une réalisation rigide à l'égard des contraintes radiales. Appliqué à une coulisse de battage hydraulique du type précité formée d'un fût tubulaire et d'une broche disposée dans ce fût, le dispositif de verrouillage selon l'invention se caractérise en ce que, dans l'état de verrouillage, deux épaulements de battage formant une paire sont disposés l'un contre l'autre et le piston se trouve à l'extérieur de l'étranglement à une distance de celui-ci, une distance d'amortissement entre la position de la broche lors du verrouillage et lors de l'entrée du piston de la coulisse de battage dans l'étranglement est prévue, les éléments de verrouillage sont mobiles radialement par rapport à l'axe de l'outil et la partie axialement fixée des éléments de contrepartie est rigide à l'égard des contraintes radiales. D'autres modes de réalisation de l'invention sont spécifiés dans les sous-revendications. On parvient à maîtriser les forces apparaissant lors d'une surcharge axiale tout en conservant une usure faible, par le fait qu'au moment du déverrouillage, les parties entre lesquelles s'exercent les forces de pression maxima peuvent rouler l'une sur l'autre On évite ainsi toute "usure par grippage" entre ces parties La configuration rigide de la partie fixée dans le sens axial fixe des éléments de contrepartie permet aussi d'éviter des contrain- tes de flexion. Lors de l'utilisation du dispositif de ver- rouillage dans une coulisse de battage hydraulique, une limitation du coulissement dans la direction opposée à l'effet de verrouillage, est imposée par l'entrée en contact de deux épaulements de battage Ceci empêche que, dans le cas de charges alternatives au cours de l'opération de forage, les éléments de verrouillage et les éléments de contrepartie rebondissent de manière répétée les uns contre les autres Une distance d'amor- tissement entre la position locale de la broche lors du verrouillage et l'entrée du piston de la coulisse de battage dans l'étranglement empêche, qu'après une opération de déverrouillage, le piston, sous l'in- fluence accélératrice de la surcharge axiale encore présente, puisse se précipiter dans l'étranglement et, lors d'un freinage soudain par suite d'une surpression extrême du fluide de travail dans la chambre, puisse endommager des organes d'étanchéité. Lors du retour de la coulisse de battage dans son état initial sans nouveau verrouillage, suivi de l'application d'une force, la force appliquée croît lentement, de sorte que des pointes de surpression ne sont alors pas possibles Le dispositif peut être d'une réalisation réversible ou irréversible du point de vue du verrouil- lage et du déverrouillage selon qu'une douille montée sur la broche soit fixée ou puisse coulisser dans le sens axial. Selon une autre forme de réalisation, la butée pour le ressort peut être réalisée de manière a pouvoir coulisser axialement, le cas échéant au moyen d'un dispositif pouvant être actionné de l'extérieur du fût, ce qui permet de régler la valeur limite de la force pour laquelle un déverrouillage se produit. Les éléments de verrouillage se trouvent de préférence dans une cage qui, d'une part, permet un 253 JO 02 montage et un démontage aisés ainsi qu'une disposition coaxiale des éléments de verrouillage et, d'autre part, offre un soutien plan aux endroits o se produit une opération de glisssement. Pour réduire la charge entre les éléments de verrouillage et les éléments de contrepartie, ces éléments peuvent être prévus multiples et peuvent être superposés en plusieurs niveaux On obtient ainsi une répartition en substance uniforme des forces sur les divers niveaux. Des formes d'exécution de l'invention seront à présent décrites avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig 1 illustre le principe d'un dispositif de verrouillage qui permet un déverrouillage et un verrouillage réversible; la Fig 2 illustre un dispositif de verrouil- lage en tant que dispositif auxiliaire d'une coulisse de battage hydraulique a comportement irréversible, et la Fig 3 illustre un dispositif de ver- rouillage comportant trois éléments de verrouillage et éléments de contrepartie superposés dans le sens axial. Le dispositif de verrouillage représenté sur la Fig 1 comporte une broche 1 qui est montée de manière à pouvoir coulisser télescopiquement dans un fût 2 et qui porte une douille 3 La douille 3 se trouve dans une gorge annulaire et est serrée entre une paroi de gorge 7 et une face d'about 8 d'une autre broche 10 reliée à la broche 1 par un pas de vis 9 La douille 3 possède une zone 4 d'un diamètre supérieur à celui de la broche 1 et se rapproche, au niveau de ses deux côtés d'about, par l'intermédiaire de surfaces partielles coniques 5, 6, du diamètre de la broche 1. Dans l'état représenté aux dessins, la surface par- tielle conique 5 de la douille 3 est en contact avec des éléments de verrouillage ayant la forme de billes 19 disposés coaxialement dans une cage 20 Dans cette. positionç les billes 19 présentent encore du jeu radial Lors d'un coulissement vers la gauche de la broche 1, les billes sont repoussées vers l'extérieur et viennent alors en contact pour leur part avec des éléments de contrepartie représentés par un élément de contre-appui 17 monté dans le fût 2 et par une douille Il pouvant coulisser axialement Alors que la surface de contact du contre-appui 17 est formée par sa face d'about 18 perpendiculaire à l'axe de l'outil, la surface de contact de la douille 11 est une surface partielle conique 12 Une face d'about postérieure 13 de la douille 11 est orientée vers un ressort 16, l'espace intermédiaire étant ponté -par des organes d'espacement 14, 15 Une butée pour le ressort 16, qui peut coulisser axialement, est formée par une face d'about 21 d'une douille de support 22 qui est bloquée de manière a ne pas pouvoir tourner au moyen d'une clavette 23 et se termine, du côté opposé au ressort 16, en un embout mâle fileté 24 L'embout mâle fileté 24 est en prise avec un embout femelle taraudé 25 d'une douille de réglage 26 fixée axialement mais pouvant tourner, *qui, pour sa parte peut être réglée par l'intermédiaire d'une couronne dentée conique 27 au moyen d'un pignon conique 28 pouvant être actionné de l'extérieur du fût 2 La douille de réglage 26 est dans ce cas appliquée contre un épaulement fileté 30 d'un autre fût 31 vissé dans le fût 2. Dans la position représentée et lorsque les forces axiales sont inférieures à une valeur limite, le dispositif de verrouillage empêche la broche 1 de coulisser vers la gauche par rapport au fût 2, car les éléments de verrouillage 19 sont empêchés par les éléments de contrepartie 11, 17 de se déplacer vers l'extérieur et de fournir ainsi la section de passage exigée par la douille 3. Lorsque la force axiale dépasse cependant une valeur limite préétablie, une composante radiale divisée sur la surface partielle conique 5 de la douille 3 et transmise sur les billes 19 provoque, par un nouveau fractionnement en composantes sur la surface conique 12 de la douille 11, un déplacement axial de la douille 11 en direction du ressort 16 Lors de cette opération, les billes 19 roulent sur les surfaces coniques 5 et 12 et se déplacent radialement vers l'extérieur La section de passage exigée par la douille 3 est ainsi fournie et la broche 1 peut effec- tuer un déplacement libre vers la gauche La valeur limite de la force menant au déverrouillage peut être réglée par le déplacement de la douille de support 22. Selon la dureté du ressort 16, il peut être nécessaire de prévoir un réglage pour lequel le trajet de dépla- cement ou de coulissement libre de la douille 11 jusqu'au début de la compression du ressort est limité ou pour lequel une précontrainte est imposée sur le ressort 16 sans trajet de coulissement libre de la douille 11 Un nouveau verrouillage peut être effectué par un coulissement de la broche 1 dans le sens inverse La surface partielle conique 6 sert alors de surface d'attaque de la douille 3 pour les billes 19. La force de rappel exigée peut être diminuée par rapport à la force de déverrouillage par le choix d'un angle d'élévation plus petit pour cette surface conique. Une coulisse de battage hydraulique munie d'un dispositif de verrouillage est représentée sur la Fig 2 Dans la mesure o la réalisation correspond par ses chiffres de référence et par son mode de fonction- nement à celle du dispositif représenté sur la Fig 1, on ne reviendra plus en détail sur ces points. La coulisse de battage comprend une paire d'épaulements de battage destinée à la percussion vers le haut et formée d'un marteau 40 et d'une enclume 41, ainsi qu'une paire d'épaulements de battage destinée à la percussion vers le bas et formée d'un marteau 42 et d'une enclume 43 De plus, la coulisse de battage comporte une chambre 44 remplie d'un liquide de travail et présentant un étranglement 45 et des zones de plus grand diamètre 46 La broche 1 porte un piston 47 qui peut être attiré à travers l'étranglement 45 Au cours d'une opération de forage normale, la coulisse de battage est contractée, de sorte que le marteau 42 et l'enclume 43 sont l'un contre l'autre et que le piston 47 se trouve à l'extérieur de l'étranglement 45 La coulisse de battage présente, en outre, une distance d'amortissement, représentée par un autre étranglement 48, à travers lequel un autre piston 50, monté sur la - broche l et appliqué d'un côté contre une butée 49, peut être tiré Le piston 50 présente, à sa périphérie interne, des ouvertures de passage axiales 51 Le dispositif de verrouillage se trouve dans l'état verrouillé Contrairement -à la forme d'exécution représentée sur la Fig 1, la douille 3 n'est pas fixée sur la broche, mais peut coulisser de façon limitée par rapport à celle-ci Une limitation est formée d'une part par une butée 52 et d'autre part par un ressort 53 dont l'arrière est tourné vers une butée 54. Le comportement du dispositif lors du déver- rouillage correspond a celui décrit à propos de la Fig 1 Etant donné qu'après le déverrouillage, sous l'effet de la force axiale présente en plus, une accélération de la broche 1 jusqu'à l'entrée du piston 47 dans l'étranglement 45 se produit et que, lors d'un freinage soudain, un pic de pression apparaîtrait en réaction dans la chambre 41, un amortissement est prévu pour protéger les éléments d'étanchéité, cet amortis- sement provoquant un coulissement lent de la broche 1 à partir de sa position après le déverrouillage jusqu'à l'entrée du piston 47 dans l'étranglement Ceci résulte du fait que l'autre piston 50 doit traverser l'étran- glement 48 pendant la phase critique du coulissement. Après le déverrouillage, la coulisse de battage permet de percuter vers le haut aussi bien que vers le bas sans que le dispositif de verrouillage s'enclenche à nouveau A l'approche de la paire d'épaulements de percussion formés du marteau 42 et de l'enclume 43 et ainsi du contact réciproque des billes 19 et des surfaces partielles coniques 6 de la douille 3, cette douille se déplace axialement par rapport à la broche 1 sous l'effet de la compression du ressort 53 Un nouvel enclenchement exige dans ce cas un retour de la douille de support 22 d'une manière telle que le ressort 16 ne puisse pas accumuler de force contraire lors du dépla- cement de la douille 11 à la suite de la déviation des billes 19 vers l'extérieur Le ressort 53 est alors à même de maintenir la douille 3 contre la butée 52 tandis que les billes 19 sur la surface conique 6 de la douille 3 se déplacent vers l'extérieur lors d'un déplacement axial correspondant Après verrouillage, la douille de support 22 doit alors être ramenée dans sa position initiale. La forme d'exécution représentée sur la Fig 3 illustre les éléments de verrouillage et les éléments de contrepartie superposés en trois niveaux axiaux différents La cage 20 comporte trois plans dans lesquels sont disposées des billes 19 ', 19 " et 19 "'. D'une manière correspondante, les surfaces partielles coniques 12 ', 12 " et 12 "' sont aussi disposées sur la douille 11 située du côté du fût et les surfaces partielles également coniques 5 ', 5 " et 5 "' sur la douille-3 située du côté de la broche Les douilles il et 3 sont de préférence d'une seule pièce La zone 4 "' de plus grand diamètre de la douille 3 de l'autre côté du plan des billes 19 "', a une longueur axiale égale à la distance maximum entre deux plans de billes Cela étant, lors du déverrouillage, la douille 11 située du coté du fût reste dans la position déplacée et le dispositif ne subit pas d'enclenchement intermédiaire. A côté de la forme d'exécution ici repré- sentée, le dispositif de verrouillage peut aussi être utilisé directement comme dispositif d'arrêt pour une coulisse de battage mécanique Il est aussi possible d'utiliser lé dispositif pour bloquer un entraînement direct ou -d'en équiper un dispositif de carottage pour un tube carottier. R E V E N D I C A T I O N S 1. Dispositif de verrouillage pour un outil formé d'une broche et d'un fût pouvant coulisser de manière télescopique, qui forment entre eux un espace annulaire dans lequel sont disposés des éléments de verrouillage en forme de corps roulants et des éléments de contrepartie pourvus de surfaces obliques, une partie des éléments de contrepartie pouvant coulisser axialement à l'encontre de la sollicitation d'un ressort et une autre partie étant fixée axialement dans l'état de verrouillage, caractérisé en ce que les éléments de verrouillage ( 19) sont mobiles radialement par rapport à l'axe de l'outil et la partie fixée axialement ( 17) des éléments de contrepartie est d'une réalisation rigide à l'égard des contraintes radiales. 2. Dispositif de verrouillage pour une coulisse de battage hydraulique destinée à des forages profonds, formé d'un fût tubulaire et d'une broche disposée dans ce fût comportant des épaulements de battage réciproques, une chambre remplie d'un liquide de travail qui présente un étranglement et des zones de plus grand diamètre, un piston et des valves prévus sur la broche qui, lors du passage du piston à travers l'étranglement dans un sens, étranglent la sortie du liquide de travail de la chambre et, dans l'autre sens, libèrent l'entrée dans la chambre ainsi que des élé- ments de verrouillage en forme de corps roulants et des éléments de contrepartie présentant des surfaces obliques dans un espace annulaire, une partie des éléments de contrepartie pouvant coulisser axialement à l'encontre de la sollicitation du ressort et une autre partie étant fixée axialement dans l'état de verrouil- lage, caractérisé en ce que, dans l'état de verrouil- lage, deux épaulements de battage ( 42, 43) formant une paire sont disposés l'un contre l'autre et le piston ( 47) se trouve à l'extérieur de l'étranglement ( 45) à une distance de celui-ci, une distance d'amortissement entre la position de la broche ( 1) lors du verrouillage et lors de l'entrée du piston ( 47) de la coulisse de battage dans l'étranglement ( 45) est prévue, les éléments de verrouillage ( 19) sont mobiles radialement par rapport à l'axe de l'outil et la partie ( 17) axialement fixée des éléments de contrepartie est rigide à l'égard des contraintes radiales. 3. Dispositif de verrouillage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la distance d'amortissement comprend un autre étranglement ( 48) et un autre piston ( 50) présentant des ouvertures de passage ( 51) étroites. Dispositif de verrouillage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments de verrouillage plus grand diamètre. 5 Dispositif de verrouillage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la douillet 3)est pourvue a ses deux faces d'about de surfaces partiel- les coniques ( 5, 6) et est fixée axialement sur la broche ( 1). 6 Dispositif de verrouillage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la douille ( 3) est pourvue sur ses deux faces d'about de surfaces partielles coniques ( 5, 6) et peut coulisser axialement sur une distance limitée sur la broche ( 1), la limi- tation dans un sens étant formée par une butée ( 52) et dans l'autre sens par un ressort ( 53) dont l'arrière est tourné vers une butée ( 54). 7. Dispositif de verrouillage suivant l'une quelconque des revendications l à 6, caractérisé en ce que les éléments de verrouillage ( 19), lors d'une transmission de force aux éléments de contrepartie ( 11) coulissant axialement, entrent en contact direct avec leurs surfaces obliques ( 12). 8. Dispositif de verrouillage suivant l'une quelconque des revendications l à 7, caractérisé en ce qu'une force de réaction maximale dirigée radialement vers l'intérieur pouvant être exercée sur les éléments de verrouillage ( 19) par les éléments de contrepartie ( 11, 14, 15) pouvant coulisser axialement peut être réglée par une butée ( 21) déplaçable axialement pour le ressort ( 16) des éléments de contrepartie ( 11, 14, 15). 9. Dispositif de verrouillage suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la butée ( 21) est formée par la face d'about d'une douille de support ( 22) bloquée à ne pas pouvoir tourner, cette douille étant en prise par l'intermédiaire de pas de vis ( 24, ) avec une douille de réglage ( 26) pouvant tourner mais fixée axialement, et la douille de réglage ( 26) est pourvue d'une couronne dentée conique ( 27) en prise avec un pignon conique ( 28) pouvant être actionné à l'extérieur du fût ( 2). 10. Dispositif de verrouillage suivant l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que les éléments de verrouillage ( 19) et/ou leur cage ( 20) sont appliqués, dans la position de verrouillage, contre une face d'about ( 18) perpendiculaire à l'axe de l'outil, de la partie ( 17) fixée axialement des élé- ments de contre-partie. 11. Dispositif de verrouillage suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'un rapport constant entre la force axiale à appliquer pour le déverrouillage et celle à appliquer pour le verrouil- lage réversible est formé par l'inclinaison des sur- faces coniques ( 5, 6) sur la douille ( 3). 12 Dispositif de verrouillage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les éléments de verrouillage ( 19) sont des billes. 13. Dispositif de verrouillage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les éléments de verrouillage et les éléments de contrepartie sont prévus multiples et superposés dans le sens axial. 14. Dispositif de verrouillage suivant la revendication 13, caractérisé en ce que les éléments de contrepartie superposés sont des éléments d'une seule pièce. -15 Dispositif de verrouillage suivant l'une quelconque des revendications 4 à 14, caractérisé en ce que la zone ( 4 "') de plus grand diamètre de la douille ( 3) située de l'autre côté de la broche a une longueur axiale de l'autre côté des derniers éléments de ver- rouillage au moins égale à la distance maximum entre deux niveaux voisins d'éléments de verrouillage.