Brevet FR2558146A1 — publié le 19850719

PROCEDE ET DISPOSITIF DE FREINAGE D'UN TREUIL DE TOUR DE FORAGE La présente invention se rapporte à la réalisation du freinage, à partir d'une manette de commande, d'un treuil de tour de forage équipé d'un frein à bande et situé à distance de ladite manette de commande. On sait que les tours de forage, utilisées en particulier dans l'industrie pétrolière pour forer des puits profonds à l'aide d'un trépan monté à l'extrémité d'un train de tiges, comportent un treuil dont le câble actionne le moufle mobile d'un palan de levage permettant deeffectuer la manutention desdites tiges durant les opérations de formation ou prolongement, de descente, de remontée et de démontage du train de tiges, ainsi que durant les opérations de forage. Dans les phases de descente successives du train de tiges, le treuil est freiné au moyen du frein à bande dont il est équipé, actlonnable par un opérateur à l'aide d'une manette de commande. Etant donné que la structure d'une tour de forage et des éléments de forage tels que treuil, câble et palan de levage, tête d'injection de boue, tige carrée d'entralnement, tiges de forage, masse-tige, trépan de forage, sont largement connus par l'homme de l'art, on ne s'étendra pas sur ces points dans la description de l'invention. - Suivant une disposition classique, la manette de commande agit de façon mécanique directement sur la bande du frein. Pour que l'opérateur puisse observer les opérations effectuées sur le train de tiges, le treuil doit alors être placé au voisinage de la table de rotation qui entraine en rotation le train de tiges par l'intermédiaire de la tige carrée. Cette disposition présente l'inconvénient de causer un encombrement de la plateforme de travail aux alentours de la table tournante, susceptible de gêner les opérations sur le train de tiges. De plus, le treuil constitue une charge de poids considérable pour la plate-forme. En vue de pallier ces inconvénients, il est connu d'éloigner le treuil de la table de rotation et de le placer par exemple au sol ou sur une plate-forme inférieure de la structure 2558 1 46 de support de la tour de forage, ce qui libère et allège la plate- formede travail. La manette de commande, demeurant sur celle-ci, est alors reliée au frein à bande du treuil par des moyens de transmission soit mécaniques (timonerie), soit hydrauliques. Un actionnement satisfaisant du frein à bande n'est cependant pas assuré en raison des jeux et des manques de rigidité inévitables dans une transmission mécanique, ou des retards de réponse des éléments d'une transmission hydraulique. Or le freinage d'un treuil de tour de forage, lequel, en raison de phénomènes d'auto- blocage,doit être effectué de façon extrêmement précise et exige beaucoup de sensibilité et de doigté de la part de l'opérateur, sous peine de conséquences catastrophiques pour le train de tiges, s'accommode mal de telles imperfections de transmission entre la manette de commande et la bande du frein. Dans le cas d'une transmission hydraulique, on rencontre en outre des problèmes lors de l'installation et du démontage des conduites hydrauliques de transmission (dus notamment à la complexité des opérations et au risque de déperditions de liquide hydraulique et de pollution de ce liquide). L'invention a pour but de permettre la réalisation d'un freinage précis du treuil d'une tour de forage au moyen d'une manette de commande située à un endroit avantageux à proximité de la table de rotation et loin du treuil, tout en écartant les inconvénients mentionnés ci-dessus. Ce but est atteint grâce à un procédé qui consiste à faire agir la manette de commande sur le frein à bande à l'aide de moyens d'asservissement avec liaison par transmission électrique entre la manette de commande et le frein à bande. Il est ainsi possible de réaliser par asservissement une commande très précise du frein à bande, la liaison de celui-ci à la manette de commande étant assurée par voie électrique et ne nécessitant ainsi qu'une simple liaison électrique entre la manette de commande et le treuil. La grandeur asservie à la position de la manette de commande peut être la vitesse de rotation du treuil, c'est-à-dire 2558 1 4 6 la vitesse de descente de la charge suspendue au moufle mobile du palan de levage dont le moufle fixe est accroché à un niveau approprié, à la tour de forage. Mais il est préférable selon l'invention de réaliser un asservissement de position du point d'actionnement de la bande du frein (c'est-à-dire ordinairement de l'extrémité mobile de celle-ci) à la position donnée à la manette de commande, avec retour d'effort sur la manette. Ce retour d'effort peut être obtenu en asservissant la position du point d'actionnement de la bande en fonction de la position de la manette de commande et de l'effort dont la bande est le siège, et en appliquant à la manette de commande une force fonction de l'erreur de position du point d'actionnement de la bande par rapport à la position de la manette de commande, de manière à répercuter sur cette dernière ledit effort. Cette force peut en particulier être proportionnelle à ladite erreur de position. Dans un mode de réalisation avantageux, l'état d'équilibre des moyens d'asservissement, pour une position déterminée de la manette de commande, est déplacé en fonction du poids de la charge accrochée au treuil, c'est-à-dire au moufle fixe du palan, ou plus particulièrement, proportionnellement à ce poids. De cette manière, à la position de repos de la manette correspond une force de freinage adaptée à la charge à freiner. D'autre part, la force de commande à appliquer à la manette pour freiner une charge en mouvement devient à peu près indépendante du poids de cette charge, ce qui facilite le travail de l'opérateur. L'invention a également pour objet un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé défini ci-dessus. Ce dispositif comprend un circuit d'asservissement incluant ine ligne de transmission électrique, dans laquelle circulent des signaux d'asservissement entre la manette de commande et le frein à bande. Une telle ligne électrique, facile à installer et à démonter, remplace avantageusement les timoneries mécaniques ou conduits hydrauliques des dispositifs analogues connus jusqu'à présent. Le circuit d'asservissement est de préférence un circuit 2558 1 46 d'asservissement de position qui gouverne la position du point d'actionnement de la bande du frein par rapport à la position donnée à la manette de commande avec répercussion sur cette dernière de l'effort appliqué à la bande. L'asservissement pourrait également porter sur la vitesse de déroulement du câble du treuil. Dans une forme d'exécution avantageuse, le dispositif selon l'invention comprend un premier capteur de position associé à la manette de commande et un deuxième capteur de position associé au point d'actionnement de la bande; les signaux fournis par ces capteurs de position sont appliqués à un premier comparateur qui délivre un signal d'erreur appliqué d'une part à un agencement d'actionnement de la bande, via un second comparateur auquel est appliqué un signal issu d'un capteur de force mesurant l'effort appliqué à la bande, et d'autre part à un moteur-couple à l'arbre duquel est accouplée, par voie purement mécanique et réversible, la manette de commande, cette dernière étant, dans le cas le plus simple, directement calée sur l'arbre du moteur-couple.Un réducteur réversible pourrait, an cas de besoin, être interposé entre la manette de commande et ledit arbre. Le capteur de force mesurant l'effort appliqué à la bande peut être directement couplé à la bande, par exemple interposé entre son extrémité fixe et le point d'ancrage de celle- ci. Mais il peut être plus aisé de coupler ce capteur à l'agencement d'actionnement de la bande, lequel est avantageusement constitué par un vérin hydraulique alimenté par une servo-valve elle-même commandée par le signal issu dudit second comparateur, ou encore par un moteur électrique d'asservissement associé à un système vis-écrou ou analogue et commandé, via un amplificateur, par le signal issu dudit second comparateur. Une disposition complémentaire intéressante consiste à prévoir un capteur de force pour mesurer le poids de la charge supportée par le treuil, c'est-àdire par le moufle fixe du palan, 2558 1 4 6 et à appliquer le signal qu'il délivre à l'agencement d'actionnement de la bande ou de la manette de commande avec un signe convenable pour créer une force de freinage fonction dudit poids, éventuellement proportionnelle à celui-ci, qui se combine à la force de freinage correspondant à une position déterminée de la manette de commande. On obtient ainsi que, lorsque la manette de commande est au repos, une force de freinage est appliquée au treuil, qui est fonction de la charge appliquée au brin mort ou au brin mobile du câble, par l'intermédiaire du palan de levage. De plus, chaque opération de freinage du treuil s'effectue de manière à peu près indépendante de la valeur du poids chargeant son ecble. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'un exemple de réalisation non limitatif. La figure unique représente de manière simplifiée le schéma d'un dispositif de freinage selon l'invention. Le treuil 1 d'une tour de forage comporte un tambour 2 mû par un moteur non représenté, sur lequel s'enroule un câble 3, et un frein à bande 4 dont l'actionnement permet de freiner et d'arrêter le déroulement du câble 3. Le câble 3 passe sur les poulies d'une paire de moufles 5, 6 d'un palan, le moufle supérieur 5 étant fixé au sommet de la tour et le moufle inférieur 6 étant mobile et supportant la charge (train de tiges de forage etc..) de poids P variable. Le brin mort et immobile 3a du câble 3 quittant le moufle fixe est ancré en un point fixe approprié de la structure de support de la tour de forage, tandis que le brin mobile (aussi appelé brin rapide) 3b du câble 3 s'enroule sur le treuil 1 après avoir quitté le moufle fixe 5 du palan. La bande de freinage 4, qui peut être dédoublée en deux bandes fonctionnant en parallèle, est appliquée sur la jante 2a du tambour 2 lorsqu'elle est actionnée, par son extrémité mobile 4a (son autre extrémité étant ancrée en un point fixe) au moyen d'un vérin hydraulique 8 à double effet, commandé par une servo-valve 9, la tige 8a du vérin 8 étant couplée à un capteur de position 10. Le vérin hydraulique 2558 1 4 6 pourrait être remplacé par un moteur d'asservissement associé à un système vis-écrou. Les éléments précédents constituent un ensemble esclave 11, commandé par un ensemble mattre 12 situé à distance, lequel comprend essentiellement une manette de commande 13 mobile qui peut être actionnée par un opérateur 14 et est couplée à un capteur de position 15, la manette de commande 13 étant située sur la plate-forme de travail comportant la table de rotation non représentée, tandis que le treuil 1 est installé à un endroit approprié éloigné de ladite table de rotation. La manette 13 est fixée radialement à l'arbre 16a d'un moteur-couple électrique 16 et pivote angulairement avec cet arbre. Le moteur-couple 16 est alimenté par un amplificateur de puissance 17. Les ensembles maitre 12 et esclave 11 sont reliés uniquement par des conducteurs électriques. Les signaux électriques fournis par les capteurs de position 15 et 10 sont appliqués, via des conducteurs 18 et 19, à un premier comparateur 20 délivrant un signal d'erreur sur un conducteur de sortie 21. Ce signal est appliqué d'une part, via un second comparateur 22 (qui reçoit par ailleurs, via un troisième comparateur 23, le signal issu d'un capteur de force 24 couplé au vérin 8), à la servo-valve 9, d'autre part à l'amplificateur 17. Le dispositif fonctionne de la manière suivante: lorsque l'opérateur 14 qui se trouve sur la plate-forme de -travail à un endroit convenable lui assurant une bonne visibilité au cours des opérations, désire freiner le treuil 1 lors de la descente du train de tiges de forage c'est-à-dire de la charge P, il abaisse la manette 13. Un signal de consigne est émis par le capteur 15 vers le comparateur 20, lequel, recevant également le signal émis par le capteur 10, délivre un signal d'erreur à sa sortie 21. Ce signal commande la servo-valve 9 de façon que le vérin 8 actionne la bande 4 pour l'amener en une position de serrage sur la jante 2a du tambour 2 o le signal émis par le capteur 10 tend à diminuer ledit signal d'erreur. En fait, le signal appliqué à la servo-valve 9 résulte de la combinaison dans 2558 1 4 6 le comparateur 22 du signal d'erreur et du signal émis par le capteur 24 représentatif de l'effort appliqué à la bande 4, et s'annule lorsque ces deux derniers signaux sont égaux. Ainsi, le signal d'erreur reflète l'effort appliqué à la bande du frein; étant appliqué au moteur-couple 16, ce signal produit sur la manette de commande 13 un couple de retour d'effort que ressent l'opérateur 14. On remarquera que, réciproquement, pour une position donnée par l'opérateur à la manette 13, toute variation d'effort sur la bande 4 est transmise au capteur 24. Le signal émis par ce capteur se trouve modifié, ce qui entratne une variation du signal d'erreur à la sortie du comparateur 22 impliquant une variation de position de la tige 8a du vérin 8, d'o une modification du signal du capteur 10 transmise au moteur 16 par le comparateur 20 et l'amplificateur 17: l'opérateur 14 ressent cette variation d'effort. Il y a donc reversibilité complète du système. On remarquera que, en cas de défaillance de l'un des éléments assurant le retour d'effort sur la manette 13, il est toujours possible de commander le frein à bande du treuil grâce à celle-ci, laquelle pivote alors à vide en entraînant en rotation l'arbre 16a du moteur 16. Dans le brin mort 3a du câble 3 peut être interposé un capteur de force 7, dont la sortie est reliée par un conducteur 25 à la seconde entrée du comparateur 23 dont la première entrée reçoit le signal issu du capteur 24. Cette disposition entraine en permanence un déplacement de l'état d'équilibre du circuit d'asservissement proportionnel au poids P, ou, plus généralement, fonction du poids P de la charge dont une fraction est appliquée au treuil 1. Par suite, lorsque la manette de commande 13 lâchée par l'opérateur 14, prend sa position de repos, le moteur-couple 16 n'étant pas alimenté en courant électrique, un certain effort de freinage est exercé par le frein à bande 4 sur le tambour 2 du treuil 1, effort qui est fonction de la charge suspendue au moufle mobile 6 du palan 5, 6. D'autre part, les manoeuvres de freinage d'une charge deviennent pratiquement indépendantes du poids de celle-ci, alors que ce poids varie constamment au fur et à mesure que progresse la profondeur du trou de forage et donc la longueur du train de tiges de forage ou du cuvelage à mettre en place dans ledit trou de forage. En variante, le signal issu du capteur 7 peut être appliqué non pas à l'entrée du comparateur 23, mais à une entrée d'un comparateur 26 interposé entre le comparateur 20 et l'amplificateur 17, comme indiqué en traits mixtes sur la figure (le comparateur 23 pouvant alors être supprimé). Dans une autre variante, le capteur 24 peut être remplacé par un capteur 27 monté à l'extrémité fixe 4b de la bande 4. 2558 1 46 REVENDICATIONS 1. Procédé de freinage, à partir d'une manette de commande, d'un treuil de tour de forage équipé d'un frein à bande et situé à distance de ladite manette de commande, caractérisé par le fait qu'il consiste à faire agir la manette de commande (13) sur le frein à bande (4) à l'aide de moyens d'asservissement avec liaison par transmission électrique entre la manette de commande et le frein à bande. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise un asservissement de position du point d'actionnement (l4a) de la bande (4) du frein à la position donnée à la manette de commande (13), avec retour d'effort sur la manette. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la position du point d'actionnement (4a) de la bande (4) est asservie en fonction de la position de la manette de commande (13) et de l'effort dont la bande (4) est le siège, et qu'une force représentative de l'erreur de position est appliquée à la manette de commande de manière à répercuter sur celle-ci ledit effort. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la force appliquée à la manette de commande (13) est proportionnelle à ladite erreur de position. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'état d'équilibre des moyens d'asservissement, pour une position déterminée de la manette de commande (13), est déplacé en fonction du poids (P) de la charge du treuil (1). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit état d'équilibre est déplacé proportionnellement audit poids (p). 7.Dispositif de freinage, à partir d'une manette de commande, d'un treuil de tour de forage équipé d'un frein à bande et situé à distance de ladite manette, caractérisé par le fait qu'il comprend un circuit d'asservissement incluant une ligne de transmission électrique, dans laquelle circulent des signaux d'asservissement entre la manette de commande (13) et le frein à bande (4). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le circuit d'asservissement est un circuit d'asservissement de position qui gouverne la position du point d'actionnement (4a) de la bande (4) du frein par rapport à la position donnée à la manette de commande (13), avec répercussion sur cette dernière de l'effort appliqué à la bande (4). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier capteur de position (15) associé à la manette de commande (13) et un deuxième capteur de position (10) asssocié au point d'actionnement (4a) de la bande (4) que les signaux fournis par ces capteurs de position (10, 15) sont appliqués à un premier comparateur (20) qui délivre un signal d'erreur appliqué d'une part à un agencement d'actionnement (9, 8) de la bande (4), via un second comparateur (22) auquel est appliqué un signal issu d'un capteur de force (24) mesurant l'effort appliqué à la bande (4), et d'autre part à un moteur- couple(16) à l'arbre (16a) duquel est accouplée, par voie purement mécanique et réversible, la manette de commande (13). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la manette de commande (13) est calée directement sur l'arbre (16a) du moteur-couple (16). 11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, caractérisé par le fait que le capteur de force (24) mesurant l'effort appliqué à la bande (4) est couplé à l'agencement d'actionnement de la bande (4). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait que l'agencement d'actionnement de la bande (4) est constitué par un vérin hydraulique (8) alimenté par une servovalve (9) elle-même commandée par le signal issu dudit second comparateur (22). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait que l'agencement d'actionnement de il la bande (4) est constitué par un moteur électrique d'asservissement associé à un système vis-écrou ou analogue et commandé, via un amplificateur, par le signal issu dudit second comparateur (22). 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé par le fait qu'un capteur de force (7) est prévu pour mesurer le poids (P) de la charge du treuil (1) et que le signal qu'il délivre est appliqué à l'agencement d'actionnement de la bande (4) ou de la manette de commande (13) avec un signe convenable pour créer une force de freinage représentative dudit poids (P) qui se combine à la force de freinage correspondant à une position déterminée de la manette de commande (13). 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé par le fait que la force de freinage créée est proportionnelle au poids (P).