Brevet FR2538443A1 — publié le 19840629

-4- "Tige d'entraînement pour train de tiges de forage" La présente invention est relative à une tige d'entraînement qui, montée dans une tablé de rotation avec possibilité de déplacement longitudinal, entraîne un train de tiges de forage lors du forage d'un puits tel qu'un puits pétrolier, Cette tige d'entraînement est actuellement vissée à l'extrémité supérieure du train de tiges de forage A chaque opération d'ajout d'une nouvelle tige de forage, il faut donc remonter l'ensemble de la tige d'entraînement et du train de tiges de forage, bloquer ce train au-des- sus de la table de rotation, dévisser la tige d'entraînement, visser celle-ci sur une nouvelle tige de forage, soulever l'ensemble tige d'entraînement, nouvelle tige de forage pour amener l'extrémité infé- rieure de cette nouvelle tige de forage sur l'extrémité supérieure du train de tiges de forage, procéder au vissage relatif de ces deux extrémités et redescendre l'ensemble du train de forage ainsi complété -15 en vue de procéder à un nouveau forage. Ces opérations sont longues et coûteuses, les vissages et dé- vissages peuvent endommager les filetages des tiges de forage; les temps d'arrêt sont générateurs de coincements et de déviations parasitms; la tige d'entraînement doit avoir la même longueur qu'une tige de fora- ge et elle peut se trouver à l'intérieur des organes de sécurité lors d'une éruption, ce qui ne permet pas une fermeture très sure de ces organes. La présente invention a pour objectif de réduire les manuten- tions et de préserver le matériel, ainsi que d'augmenter la sécurité du personnel. Un objet de l'invention est une tige creuse d'entraînement pour train de tiges de forage qui se caractérise en ce qu'elle présente un passage longitudinal interne suffisamment large pour être traversée par le train de tiges de forage et en ce qu'elle porte intérieurement des moyens de saisie commandables aptes à saisir ce train de tiges. -2- On peut ainsi, avec une succession de descentes et remontées de la tige d'entraînement, effectuer un forage d'une profondeur égale à plusieurs fois la longueur de la tige d'entraînement, avant d'ajouter un nouvel-élément au train-de tiges de forage, ajout qui se fait direc- tement sans dévissage préalable et sans vissage subséquent d'une tige d'entraînement. Ces moyens de saisie sont, de préférence, répartis sur la pres- que totalité de la longueur de la tige creuse d'entraînement. Un autre objet de l'invention est une tige creuse d'entraîne- ment du type décrit, pour installation de forage comportant de haut en bas: une table de rotation, un tube fontaine et des organes de sécurité, qui aune longueur sensiblement égale à celle du tube fontaine De cette manière, la tige creuse d'entraînement présente la longueur maximale qu'elle peut avoir sans interférer avec les organes de sécurité. Le passage longitudinal interne de la tige d'entraînement a avantageusement une section circulaire. Un autre objet de l'invention consiste en ce que lesdits moyens de saisie comprennent une enveloppe cylindrique déformable fixée de manière étanche à ses extrémités sur la tige d'entraînement et des moyens d'entrée, pour un fluide de commande, dans l'espace, de commande, compris entre la paroi interne de la tige d'entraînement et cette enve- loppe. Cette enveloppe cylindrique est, de préférence, constituée en un matériau flexible armé. Selon un objet complémentaire de l'invention, cette enveloppe cylindrique porte sur sa face radialement interne des patins de saisie. Ceux-ci sont avantageusement fixés à travers l'enveloppe à des ergots de guidage situés de l'autre c 8 té de l'enveloppe en face des patins de saisie Ces ergots de guidage peuvent notamment être guidés dans des -3 _ trous ménagés dans la tige d'entraînement et par des bagues entretoi- ses disposées dans ledit passage longitudinal de la tige d'entraînement entre des couronnes successives d'ergots de guidage. Un-objet de l'invention consiste aussi en ce que la tige d'en- traînement est munie d'un système de remontée par contrepoids, à vitesse limitée par treuil. Le système de remontée peut notamment être appliqué à deux bras horizontaux solidaires, sauf en rotation, de l'extrémité supérieure de la tige d'entraînement et guidés sur des potences verticales Ces bras horizontaux peuvent être formés par des tubes pour l'admission de flui- de de commande dans ledit espace de commande. De nombreux avantages de l'invention ressortiront pour les personnes compétentes en la matière de la description qui va être don- née, à titre non limitatif, d'un exemple de réalisation de l'invention en se référant au dessin joint dans lequel La Fig 1 est une vue schématiqueen élévation de la portion d'une installation classique de forage comprise entre la table de rota- tion et la tête de cuvelage d'un puits La Fig 2 est une vue de dessus de cette portion d'installation, La Fig 3 est une vue schématique en élévation de la portion d'une installation de forage selon l'invention comprise entre la tige d'entraînement et la tâte de cuvelage d'un puits-; La Fig 4 est une vue de dessus de la table de rotation de la Fig 3; La Fig 5 est une vue en perspective d'une cale utilisée dans l'installation de la Fig 3, La fig 6 est une coupe verticale de la tige d'entraîn ement de la Fig 3, à plus'grande échelle -4- La Fig 7 est une vuè de dessus de la tige d'entraînement de la Fig 6, Les-Fig 8 et 9 sont des coupes transversales de la tige d'en- traînement selon les lignes 8-8 et 9-9 de la Fig 6, respectivement dans le cas de déserrage et de serrage de la tige de forage située à l'inté- rieur de la tige d'entraînement; 1 La Fig 10 est une vue de dessous de la tige d'entraînement avec coupe selon la ligne 10-10 de la Fig 6; et La Fig Il est une vue en demi-coupe et élévation d'un système élévateur associé à l'installation selon la Fig 3. Sur les Fig I et 2, on voit une table de rotation classique I équipée d'une garniture 2 et de trous 3 de réception d'une pièce non représentée, d'entraînement d'une tige d'entraînement 4 qui est vissée à l'extrémité de la tige la plus haute du train de tiges-de forage (non représenté). Sous la table I se trouve un tube fontaine 5 muni d'une goulotte 6 d'évacuation de boue de forage et s'étendant entre la table-l et les organes de sécurité 7 et 8 comprenant les organes dits hydrill et BOP, eux-mgmes fixés sur la tête 9 d'un cuvelage 10 de puits en cours de forage. Sur la Fig 3 on retrouve les mêmes organes en dessous de la table de rotation que sur la Fig I sauf que la tige d'entraînement 4 a été remplacée par une tige d'entraînement creuse spéciale Il qui a une section transversale plus grande que la section d'une tige d'entraîne ment classique, permettant aux tiges du train de tiges de forage de pas- ser à travers la tige d'entraînement Il et qui est munie intérieurement de moyens de saisie d'un élément supérieur 12 du train de tiges de forage, élément formé d'une tige ou d'un ensemble de tiges de forage. Ces moyens de saisie ne sont pas représentés, sur la Fig 3, mais on en décrira un exemple de réalisation à l'aide notamment des Fig 6, 8 et 9. La tige d'entraînement Il présente en coupe transversale un profil extérieur carré dans le cas de l'exemple donné ici, comme le montrent les Fig 8, 9 et 10 La pièce d'entraînement 13 de cette tige 11, montée sur la garniture 2, présente donc une ouverture carrée, com- me le montre la Fig 4 Mais la tige Il pourrait présenter un profil extérieur hexagonal ou, plus généralement, polygonal, ou même la tige 1 pourrait être munie simplement d'arêtes ou de rainures longitudinales, le profil extérieur de la tige Il devant seulement permettre une soli- darisation en rotation et une liberté de déplacement longitudinal dans la table de rotation. La tige d'entraînement Il a, de préférence, une longueur égale à la longueur du tube fontaine 5, c'est-à-dire qu'elle aura généralement une longueur comprise entre 4 et 8 mètres, le plus souvent d'environ 6 mètres. A son extrémité supérieure, la tige d'entraînement Il porte un palier de poussée à effet bidirectionnel 14 dont la partie fixe 15 est solidaire de deux bras horizontaux 16 et 17 qui peuvent glisser vers leurs extrémités libres 18 et 19 le long de deux potences verticales 20 et 21 jouant le r 8 le de rail guide au moyen d'un système de guidage qui est classique en lui-même et n'a pas été représenté ici Le déplacement vertical des bras horizontaux 16 et 17 est lié au déplacement de câbles mécaniques 22 et 23 accrochés dans une position médiang à des oeillets, respectivement 24 et 25 et 26, 27, des bras 16 et 17 Chacun de ces câbles 22 et 23 est enroulé à une extrémité sur un treuil de rappel 28, 29, passe sur une poulie 30, 31 montée à la partie supérieure d'une des potences 20 et 21 et porte à son autre extrémité un contrepoids 32, 33. Lorsque les moyens de saisie intérieurs à la tige d'entraînement Il solidarisent celle-ci avec une tige de forage supérieure 12, le train de tiges de forage entraîne par son poids les bras horizontaux 16 et 17 vers le bas au fur et à mesure de la pénétration dans le sol de l'outil, non représenté, car les contrepoids 32 et 33 sont moins lourds que l'ensemble du train de forage Les bras 16 et 17 descendent donc tandis que les contrepoids 32 et 33 remontent. -6 - Quand la tige d'entia nement Il a atteint sa position basse, il suffit de rendre inactifs lesdits moyens de saisie intérieurs pour désolidariser la tige d'entraînement Il d'avec l'élément supérieur 12 du train de tiges de forage La tige d'entraînement Il est alors remon- tee en position haute par l'action sur les bras horizontaux 16 et 17 des contrepoids 32 et 33,action qui devient prépondérante La remontée de la tige d'entraînement Il est ralentie par l'action des treuils de rappel 28 et 29. En répétant le cycle de descente et remontée de la tige d'en- traînement Il qui vient d'8 tre décrit, on peut forer sur une profondeur égale à la longueur d'un élément 12, c'est-à-dire à la longueur d'une tige de forage ou, mieux, d'une pluralité de tiges de forage préalable- ment réunies les unes aux autres et vissées sur le train de tiges déjà en place On peut ainsi opérer par exemple avec des éléments de 27 mè- tres formés de trois tiges réunies les unes aux autres. Pendant cette opération d'ajout, on cale l'élément 12 au moyen de cales 34, de type classique, telles que la cale représentée sur la Fig 5, insérées dans l'orifice central 35, de forme conique, ménage dans le palier de poussée 14 Ce calage pourrait aussi être un calage automatique. Les moyens de saisie intérieurs à la tige d'entraînement Il peuvent être de types très variés: par exemple mécaniques tels que par rotation relative des tiges Il et 12, par translation d'un fourreau dans la tige d'entraînement 11, par vérins montés sur la table de rota- tion et agissant sur des ergots coulissants dans des lumières ménagées dans la tige d'entraînement 11, par clefs formant coins entre les tiges Il et 12, électro-magnétiques ou hydrauliques tels que pompe hydraulique montée au niveau du palier de poussée 14 et verrouillant la tige 12 lors d'une rotation relative des tiges Il et 12. On va décrire un moyen de saisie de type hydro-mécanique que l'on considère comme préférentiel car il permet de saisir la tige de forage supérieure 12 sur une surface importante en évitant le risque -7- de l'endommager. Le fluide de commande du moyen de saisie, par exemple de l'air, est alors avantageusement introduit à l'intérieur de la tige d'entrai- nement 1 l par des tubes d'admission ou d'évacuation 36 et 37 (Fig 6) à forte résistance mécanique, remplaçant les bras 16 et 17 décrits pré- cédemment et jouant le même râle mécanique que ceux-ci lors de la des- cente et la remontée de la tige d'entralnement 11, en glissant de même le long des potences verticales 20 et 21 et en étant eux-m 8 mes attachés aux cables 22 et 23 Ces tubes d'admission ou évacuation 36 et 37 sont hydrauliquement reliés à leurs extrémités libres 38 et 39 à des tuyaux, non représentés, amenant ou évacuant le fluide de commande. La Fig 6 représente dans sa partie gauche une coupe selon la ligne 6-6 de la Fig 8 et' dans sa partie droite une coupe selon la ligne 6-6 de la Fig 9. Les moyens de saisie intérieurs à la tige d'entraînement 11 comprennent une enveloppe cylindrique déformable 40, de même axe que l'axe de symétrie de la tige 11, tenue à son extrémité longitudinale supérieure par un embout annulaire 41 et serrée à son extrémité longi- tudinale inférieure entre un premier raccord annulaire 42 monté sur la tige Il et un deuxième raccord annulaire, d'étanchéité 43, fixé sur le premier raccord 42, par exemple par vissage. La tige d'entraînement 1 l comprend un corps allongé 44 formant un espace cylindrique interne 45 délimité par une face interne cylin- drique 46 Ce corps 44 présente extérieurement une section à quatre pans coupeés 47 en face desquels on a ménagé dans le corps 44 des trous guides radiaux 48 (réalisés par exemple par fraisage extérieur) qui ont reçu des coins rapportés 49, par exemple soudés, complétant le profil extérieur de la tige Il et lui donnant une forme carrée (Fig 8). Dans ces trous radiaux 48 on a inséré des ergots de guidage 50 pouvant coulisser radialement dans ces trous Des vis de jonction 51 lient chaque ergot de guidage 50 à l'enveloppe cylindrique déformable et à un patin de saisie 52 disposé en face de l'ergot, de l'autre 8- côté de l'enveloppe 40 Les-patins de saisie 52 présentent en face de la tige de forage supérieure 12 une section tranversale en arc de cercle apte à s'appliquer contre un élément du train de tiges de forage De tels ensembles: trou guide radial 48, ergot de guidage 50, _ patin de saisie 52 et vis de jonction 51 sont répartis tout le long de la tige d'entraînement Il en étant séparés les uns des autres. L'enveloppe cylindrique déformable 40 peut notamment être cons- tituée par un matériau flexible tel que du caoutchouc, un élastomère synthétique ou une autre résine synthétique, armée par exemple de fibres à haute résistance mécanique donnant à l'enveloppe 40 des propriétés de rappel en position de repos On peut incorporer à ce matériau lors de sa préparation de petites bagues d'acier destinées à entourer les pas- sages des vis 51 et à assurer l'étanchéité au droit de ces passages. Les ergots de guidage 50 et les patins de saisie 52 sont, par exemple, en acier, les patins 52 pouvant être revêtus d'une garniture à fort coefficient de frottement. L-a partie fixe 15 du palier 14 se présente, comme on le voit sur la Fig 6, sous la forme d'un bloc annulaire fixe percé de-conduits radiaux 53 et 54 dans lesquels débouchent les tubes 36 et 37 Ce bloc annulaire fixe 15 porte un roulement à billes 55 à sa partie supérieure et un roulement à billes 56 à sa partie inférieure et il est serré entre un corps annulaire inférieur rotatif 57 et un corps annulaire supérieur rotatif 58 solidaires du corps allongé 44 Les corps 57 et 58 sont réunis l'un à l'autre par des boulons d'assemblage 59, Le corps 57 est lié au corps allongé 44 par exemple par soudure Il est percé de passa- ges 60 dirigés axialement et mettant en communication les conduits ra- diaux 53 et 54 avec l'espace interne de commande 61 compris entre le corps allongé 44 et l'enveloppe cylindrique déformable 40 L'embout- annulaire 41 de l'enveloppe 40 est fixé de manière étanche,grâce à des _ joints fixes 62,au corps annulaire inférieur 57 sur lequel il est rete- nu par des vis de blocage 63 qui sont des vis pointeau assurant l'étan- chéité L'étanchéité entre le bloc annulaire fixe 15-et A Ie -corps annu- laire inférieur rotatif 57 est assuré par des joints à lèvre 64 et 65. 9 _ On remarquera que sur la Fig 6 on a représenté les boulons d'assemblage 59 en face de passages 60, ce qui facilite la réalisation. Ces boulons 59 sont alors munis d'un joint torique d'étanchéité 66 à leur partie inférieure. Pour assurer une meilleure application des efforts sur l'enve- loppe 40 on a prévu d'interposer entre les ergots 50 des bagues entre- toises 67 coaxiales avec la face cylindrique interne 46 et de diamètre extérieur un peu inférieur au diamètre de cette face cylindrique interne. Lorsque la tige d'entra nement Il saisit une portion d'élément 12 comportant un joint 68 entre deux tiges de forage, l'action de sai- sie des patins s'appliquant sur ce joint 68 est peu efficace, mais les autres patins de saisie 52 qui s'appliquent entièrement sur les tiges de forage elles-memes suffisent à assurer la saisie de l'élément 12 dans la tige d'entraînement 11. Au-dessus de la tige d'entraînement 11, l'élément supérieur 12 dutrain de tiges de forage est pris dans un système élévateur dont la Fig Il représente partiellement un exemple de réalisation Sur cette figure on n'a pas représenté le crochet de manipulation qui est action- né par un engin de levage, non représenté non plus, et qui est lié à un berceau de manutention 69 d'un chariot élévateur 70 muni de bras horizontaux 71 portant des roulettes de guidage 72 s'appuyant contre des rails verticaux 73 Ce chariot élévateur 70 comporte des montants 74 et 75, une poutre transversale 76 à la partie supérieure et un enton- noir de guidage 77 à la partie inférieure. La poutre 76 est munie d'un raccord 78 relié à une conduite d'amené de boue 79 et à un raccord 80 éventuellement utilisé pour une autre opération d'injection telle qu'une opération de cimentation Ces raccords sont reliés, par des vannes 81 et 82 respectivement, à un con- duit tubulaire central vertical 83 qui se trouve hydrauliquement relié à un tronçon tubulaire 84 dirigé verticalement et se terminant vers le bas juste au-dessus de l'entonnoir 77 par un filetage. -.10 - Du conduit 83 au tronçon tubulaire 84 se trouve ménage un passa- ge vertical à travers trois organes successifs 85, 86 et 87 assurant respectivement les fonctions de joint tournant, de support et d'entraî- nement en rotation. L'organe 85 comprend un anneau fixe 88 porté par le conduit 83 et portant un roulement supérieur 89 et un roulement inférieur 90, deux plateaux l'un supérieur 91, l'autre inférieur 92 s'appliquant respecti- vement contre le roulement supérieur 89 etle roulement inférieur 90, un moyen de serrage 93 serrant les deux plateaux 91 et 92 l'un vers l'autre et un joint d'étanchéité 94 entre le plateau inférieur 92 et l'extrémité inférieure du conduit 83. Le plateau inférieur 92 se prolonge vers le bas par un premier tube 95 auquel est attaché, par exemple par vissageun deuxième tube 96, de plus grand diamètre, muni d'un filetage interne qui reçoit une bague de retenue 97 Le premier tube 95 porte un joint interne 98 assurant l'étanchéité avec l'extrémité supérieure du tronçon tubulaire 84 qui- pénètre de manière télescopique dans le premier tube 95. Le.tronçon tubulaire 84 est solidaire d'un disque d'appui 99 qui, placé dans le deuxième tube 96, vient reposer sur la bague de retenue 97 lorsque ce tronçon tubulaire est en position basse, un déplacement verti- cal du tronçon tubulaire 84 étant possible sur une longueur définie par la distance entre les positions haute et basse du disque d'appui 99 dans le deuxième tube 96. Le-tronçon tubulaire 84 est solidaire au niveau de l'organe 87 d'une roue dentée réceptrice 100 qui peut être engagée avec un pignon 101 entraîné par exemple par un moteur 102 L'ensemble du moteur 102 et du pignon 101 est monté sur une crémaillère 103 pour pouvoir être amené, lorsqu'on le désire en engagement avec la roue dentée 100. 11 _ L'entonnoir 77 est tenu sur les montants 74 et 75 par des écrous 104 à goupille de blocage. Un bras de guidage escamotable 105 monté sur un vérin de dépla- cement 106 et pourvu de moyens de serrage détachables 107 pour saisir l'élément 12 du train de tiges de forage est prévu au-dessous de l'entcnnoir 77 On peut ainsi amener un nouvel élément 12 en face du tronçon tubulaire 84 Celui-ci portant un filetage mâle 108 correspondant au filetage femelle 109 de l'extrémité de l'élément 12, il est possible de visser le tronçon tubulaire 84 sur l'élément 12 en l'amenant contre celuici par descente du chariot élévateur 70 et en l'entraînant en rotation par le pignon 101 mis en prise avec la roue dentée réceptrice I 00 au moyen de la crémaillère 103 o Pendant le vissage, le disque d'appui 99 descend dans le deuxième tube 96, On comprendra qu'en ajoutant un raccord réducteur fileté au filetage mâle 108, il est possible d'adapter l'élévateur à n'importe quel type d'élément 12. On visse ensuite, toujours avec le pignon 101, le nouvel élément 12 sur le train de tiges, celui-ci étant maintenu bloqué dans la tige d'entraînement 11 On utilise aussi le moteur 102 et le pignon 101 lors- qu'on désire dévisser le tronçon tubulaire 84 d'un train de tiges-de forage que l'on maintient bloque dans la tige d'entraînement 11, avant de procéder à l'opération d'ajout d'un nouvel élément 12. 12 - Revendications l Tige creuse d'entraînement pour train de tiges e forage, caractéri- sée en ce qu'elle présente un passage longitudinal interne ( 45) suffisamment large pour qu'elle puisse être traversée par le train destiges de forage ( 12) et en ce qu'elle porte intérieurement des moyens de saisie commandables ( 40, 52) aptes à saisir ce train de tiges ( 12). 2 Tige creuse d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de saisie commandables ( 40, 52) sont-répar- tis sur la presque totalité de la longueur de la tige creuse d'en- traînement. 3 Tige creuse d Ventraînement selon la revendication 1, pour installa- tion' de forage comportant de haut en bas une table de rotation ( 1), un tube fontaine ( 5) et des organes de sécurité ( 7, 8), caractérisée en ce qu'elle a une longueur sensiblement égale à celle du tube fontaine ( 5). 4 Tige Greuse d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens de saisie comprennent une enveloppe cylindri- que déformable ( 40) fixée de manière étanche à ses extrémités ( 41, 43) sur la tige d'entraînement ( 11) et des moyens d'entrée ( 36,37), pour un fluide de commande dans l'aspace,de commande,( 61) compris entre la paroi interne ( 46) de la tige d'entraînement et cette enveloppe ( 40). Tige creuse d'entraînement selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite enveloppe ( 40) est en un matériau flexible armé. 6 Tige creuse d'entraînement selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite enveloppe ( 40)'porte sur sa face radialement inter- ne des patins de saisie ( 52). 13 - 7 Tige creuse d'entraînement selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits patins de saisie ( 52) sont fixes-( 51) à travers l'enveloppe ( 40) à des ergots de guidage ( 50) situés de l'autre c 8 té de l'enveloppe ( 40) en face des patins de saisie ( 52). Tige d'entraînement selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est munis d'un système de remontée par contrepoids ( 32,33) à vitesse limitée par treuil ( 28, 29). 9 Tige-d'entraînement selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit système de remontée est associé à deux bras horizontaux ( 16, 17) solidaires, sauf en rotation, de l'extrémité supérieure de la tige d'entraînement ( 11) etguidés sur des potences vertica- les ( 20, 21).