Brevet FR2549892A1 — publié le 19850201

Machine pour appliquer un couple de vissage ou de dévissage à des tiges, en particulier des tiges de forage. L'invention concerne une machine pour appliquer un couple important de vissage ou de vissage à des tiges vissées bout à bout, en particulier des tiges verticales de forage. Les opérations de vissage bout à bout des tiges et de dévissage doivent être répétées un très grand nombre de fois lorsqu'il faut constituer un train de tiges ayant une longueur de plusieurs milliers de mètres lors de la descente de ce train dans un puits de forage, ou bien pour démonter ce train 10 de tiges lorsqu'on le remonte pour changer le trépan équipant l'extrémité inférieure du train ou pour effectuer des mesures ou des opérations de coffrage dans le puits. On a déjà proposé d'automatiser ces opérations au moyen d'une 15 machine qui comprend une pince inférieure, fixe en rotation par rapport à l'axe vertical du train de tiges, pour saisir la partie supérieure d'une tige constituant elle-même l'extrémité supérieure du train de tiges, et une pince supérieure destinée à saisir l'extrémité inférieure d'une tige que l'on 20 veut raccorder à l'extrémité supérieure du train de tiges ou démonter de cette extrémité supérieure La pince supérieure est mobile en rotation autour de l'axe vertical du train de tiges par rapport à la pince inférieure, pour appliquer un couple important à la tige supérieure sur laquelle elle est serrée, afin de bloquer cette tige en fin de vissage ou la débloquer en début de dévissage La pince supérieure est également déplaçable verticalement par rapport à la pince inférieure pour permettre, quand elle est écartée de cette pince inférieure, l'application de moyens de vissage ou de dévissage rapide sur l'extrémité inférieure de la tige à visser ou dévisser. Dans la technique actuelle, la pince supérieure comprend un 10 ou deux mors fixes, destinés à être appliqués sur la surface extérieure de la tige ou, plus exactement, sur la surface extérieure d'un embout de connexion par vissage prévu à l'extrémité de la tige, et deux mors de serrage qui sont poussés sur la surface extérieure de cet embout de connexion 15 par des vérins hydrauliques orientés radialement vers l'axe de la tige et portés par le chassis rigide de la pince. L'angle formé par les directions radiales des deux vérins est de l'ordre de 120 , et les forces de poussée radiale développées par ces vérins sont très importantes et peuvent être 20 par exemple supérieures à 15 000 deca Newton Ces forces de serrage très importantes de la tige dans la pince permettent d'appliquer un couple très important à cette tige pour son blocage sur le train de tiges en fin de vissage ou son déblocage en début de dévissage. 25 Toutefois, il arrive très souvent en pratique que les forces de poussée radiale développées par les vérins ne soient pas exactement égales l'une à l'autre, d'o il résulte un risque de décentrement de la pince supérieure par rapport 30 à l'axe du train de tiges, et un risque de glissement de cette pince lorsqu'elle est entraînée en rotation pour l'application du couple de vissage ou de dévissage Ce risque de décentrement, qui peut être accentué par une faible ovalisation de l'embout de connexion monté à l'extrémité de la 35 tige, vient essentiellement de ce qu'il est très difficile de purger parfaitement ces vérins hydrauliques dont les cylindres contiennent souvent un volume d'air résiduel Lorsque ies vêrjns sons alimer ns en Dression; ces volumes d'air sont comprimes à une pression qui est en eé ilibre avec la pression d'huile d'alimentation des vérins Lorsaue la pince est ensuite entranée en rotation, une partie de la force de poussée radiale développée par l'un des vérins est transmise, par l'intermédiaire de la tige, à l'autre vérin dont le volume d'air résiduel est alors comprimé davantage et dont le mors a tendance à glisser sur la surface de l'embout de connexion monté à l'extrémité de la tige. 10 L'invention vise notamment à éviter cet inconvénient de la technique antérieure. Elle propose à cet effet une machine pour appliquer un couple 15 de vissage ou de dévissage à des tiges vissées bout à bout, en particulier des tiges verticales de forage, comprenant deux pinces respectivement inférieure et supérieure comprenant chacune un chassis rigide comportant des mâchoires de serrage actionnées par des vérins pour saisir respectivement 20 la partie supérieure d'une tige inférieure et la partie inférieure d'une tige supérieure, la pince inférieure étant fixe en rotation autour de l'axe des tiges et des moyens étant prévus pour faire tourner la pince supérieure par rapport à la pince-inférieure d'un angle déterminé autour 25 d'un axe vertical avec un couple important afin de bloquer les deux tiges en fin de vissage ou les débloquer en début de dévissage, caractérisée en ce que les mâchoires de serrage d'au moins la pince supérieure, qui comprennent à une extrémité des mors destinés à être appliques à pression sur la tige, sont 30 -es leviers montés à rotation autour d'un axe vertical sur le châssis rigide de la pince, et en ce que les vérins d'actionnement de es michoires sont montés d'une part à rotatior N autour d'un axe vertical sur le châssis rigide et, d'autre part, à rotation autour d'un autre axe vertical sur les leviers correspondants, l'une des mâchoires de serrage étant auto-blocante 35 sur la tige pour u N sers déterminé de rotation de la pince par rapport à l'axe de la tige, et une autre mâchoire étant autoblocante sur la tige pour le sens inverse de rotation. Ainsi, selon l'invention, toute tendance au glissement de la pince supérieure serrée sur l'extrémité inférieure de la tige, qui pourrait se produire en raison d'un décentrement de la pince supérieure, renforce automatiquement le 5 blocage et le serrage d'tune mâchoire sur la tige, ce qui interdit tout glissement. Selon une autre caractéristique de l'invention, la tangente horizontale à la surface périphérique de la tige dans la 10 zone d'application du mors d'une mâchoire sur la tige, s'étend entre la tiae et l'axe de rotation de cette mâchoire sur le châssis de la pince et passe au voisinage immédiat de cet axe de rotation. Grâce à cette disposition, l'interaction entre les vérins d'actionnement des mâchoires de serrage, lors de la rotation de la pince, est rendue négligeable La machine selon l'invention peut ainsi fonctionner correctement même si les vérins d'actionnement des mâchoires de serrage ne sont pas parfai20 tentent purgés. Dans la description qui suit faite à titre d'exem Dle on se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: les figures 1 et 2 représentent schématiquement, en vue en plan et en vue en élévation, une machine selon la technique antérieure; la figure 3 est une vue schématique en plan avec arrachement 30 Dartiel, d'une partie d'une machine selon l'invention; la figure 4 est une vue partielle en coupe selon la ligne IV-IV de la fiqure 3. On se réfère d'abord aux figures 1 et 2 représentant schématiquement la technique antérieure Dans ces fi:ures, la référence 10 désigne la partie inférieure d'une tige supérieure de forage, munie d'un embout mâle de connexion 12 à filetage extérieur, et la référence 14 désigne la partie supérieure d'une tige inférieure, munie d'un embout femelle 16 de connexion à filetaae intérieur Une pince inférieure 18. fixe en rotation par rapport à l'axe vertical des tiges 10 et 14, est serrée sur l'embout femelle 16 de la tige 14. tandis qu'une pince 20, mobile en rotation autour de l'axe des tiges, est serrée sur l'embout 12 de la ti Qe 10 Des vérins hvdrauliques, non représentés, permettent de faire 10 tourner la pince supérieure 20 autour de l'axe 13 des tiges d'un angle déterminé avec un couple important, pour bloquer les tiges l'une sur l'autre en fin de vissage et les débloquer en début de dévissage. Comme représenté schématiquement en figure 2, la pince supérieure 20 comprend un châssis rigide 22 sensiblement en U, entourant sur trois côtés l'embout 12 de la tige 10 Ce chassis 22 porte un ou deux mors fixes 24 et deux mors mobiles 26 montés aux extrémités des tiges de piston de deux 20 vérins hydrauliques 28 orientés radialement vers l'axe 13 des tiges. La pince supérieure 20 est montée flottante dans un plan horizontal de façon à pouvoir se centrer automatiquement sur 25 l'axe 13 des tiges lorsque les vérins 28 sont alimentés en liquide hydraulique sous pression Comme indiqué dans ce qui précède, les forces de poussée radiale développées par les deux vérins 28 ne sont pas toujours en pratique, strictement égales l'une à l'autre et, lorsque la pince supérieure 30 20 est entraînée en rotation autour de l'axe 13 des tiges, la force développée par l'un des vérins 28 agit sur l'autre vérin, d'o un risque de décentrement de la pince 20 par rapport aux tiges de forage et de glissement des mors de cette pince sur l'embout 12 de la tige supérieure 10. 35 L'invention qui va être décrite maintenant en référence aux figures 3 et 4 permet notamment d'éviter ces inconvénients. La machine selon l'invention comprend, comme dans la technique antérieure, une pince inférieure fixe en rotation et une pince supérieure destinée à être entraînée en rotation autour de l'axe des tiges pour le blocage en fin de vissage et le déblocage en début de dévissage. La pince inférieure 30 est montée fixement sur un bâti ou un support inférieur, non représenté, et combrend, d'un côté, une chape 32 de support de l'axe vertical 34 de rota10 tion du cylindre 36 d'un vérin hydraulique 38 horizontal et. d'un autre côté, une chape 40 de support de l'axe vertical de rotation 42 de l'extrémité de la tige de piston 44 d'un vérin hydraulique horizontal 46 identique au vérin 38. L'extrémité 48 de la tige de piston du premier vérin 38 est mobile en rotation autour d'un axe vertical 50 porté par une chape 52 du châssis rigide 54 de la pince supérieure 56, tandis que le cylindre 58 du second vérin 46 est mobile autour d'un axe vertical de rotation 60 porté par une chape 20 62 du châssis 54 de la pince supérieure 56 Les axes verticaux de rotation 34, 42, 50, 60 des vérins 38 et 46 et des extrémités de leurs tiges de piston sont à la même distance de l'axe 13 des tiges lorsque les deux pinces sont serrées sur les embouts de connexion de ces tiges, de telle sorte que, lorsque les vérins 3 et 46 sont alimentés en pression, ils fassent tourner la pince supérieure 56 autour de l'axe vertical 13 des tiges, dans un sens ou dans l'autre. On va décrire maintenant plus particulièrement la structure 30 de la pince supérieure 56, étant entendu cue la structure de la pince inférieure 30 est sensiblement la même. Le chassis rigide 54 de la pince supérieure 56 forme un caisson à l'intérieur duquel sont logés deux vrrins hydrau35 liques identiques 64 et deux mâchoires de serrage identicues 66 qui sont agencés symétriauement par rapport à un plan vertical médian 67 passant par l'axe des tiges 13 Chaque mâchoire de serrage 66 est montée en rotation autour d'un axe vertical 68 porté par le châssis 54 et comprend à une extrémité, un mors 70 propre à être appliqué sur l'embout de connexion 12 de la tige supérieure 20, A son extrémité 5 opposée, chaque mâchoire 66 forme une chape portant l'axe vertical de rotation 72 de l'extrémité de la tige de piston du vérin 64 associé qui, à l'extrémité opposée de son cylindre, est monté à rotation autour d'un axe vertical 74 porté par le châssis 54 de la pince supérieure. 10 Comme on le voit en figure 3, les axes de rotation 74 des vérins 64 sur le chassis 54 sont voisins l'un de l'autre et les axes longitudinaux de ces deux vérins forment entre eux un angle d'environ 45 . Chaque mâchoire 66 est montée de façon à être auto-bloquante sur l'embout de connexion d'une tige pour un sens déterminé de rotation de la pince supérieure par rapport à l'axe de la tige, c'est-à-dire que, quand le mors 70 d'une mâchoire est appliqué sur l'embout de la tige, la tangente horizontale à la surface cylindrique de l'embout dans la zone d'application du mors 70 s'étend entre cet embout et l'axe de rotation 68 de la mâchoire de serrage Comme les deux mâchoires de serrage 66 sont symétriques par rapport au plan vertical médian 67 de la pince, une des mâchoires est auto-bloquante sur l'embout de la tige pour un sens déterminé de rotation de la pince autour de l'axe 13 dela tige et l'autre mâchoire est auto-blquante dans le sens opposé de rotation autour de cet axe. En outre, comme la tangente horizontale précitée à la surface cylindrique de l'embout dans la zone d'application du mors 70 passe au voisinage immédiat de l'axe vertical de rotation de la mâchoire de serrage 66, un déséquilibre des 35 contraintes appliquées aux mors 70 sur l'embout 12 d'une tiqe ne produit qu'un effet négligeable sur le vérin 64 d'actionnement de la mâchoire de serrage. De façon classique, deux mors fixes 76 sont poroés par le châssis rigide 54 de la pince supérieure, par l'intermédiaire d'une pièce de fixation 78, et sont écartés angulairement l'un de l'autre de 90 environ pour être sensiblement diamé5 tralement opposés aux mors 70 des mâchoires de serrace 66 quand celles-ci sont appliquées sur l'embout de connexion 12 d'une tige. Avantageusement, l'axe de rotation 68 de l'une des mâchoires 10 de serrage 66 se termine à sa partie inférieure par un doigt cylindrique, qui est reçu et guidé dans une rainure incurvée formée dans la face horizontale supérieure du châssis de la pince inférieure 30 et qui est centrée sur l'axe 13 des tiqes. De façon générale, la machine selon l'invention, comprenant les pinces inférieure 30 et supérieure 56, est utilisée comme dans la technique antérieure Toutefois, toute tendance au glissement est supprimée et les vérins 64 d'actionnement des mâchoires de serrage n'ont plus d'action l'un sur l'autre, même si les vérins ne sont pas parfaitement purgés, et si un des embouts est légèrement ovalisé, de sorte que la machine selon l'invention est beaucoup plus fiable que les machines correspondantes de la technique antérieure. 25 La machine selon l'invention fonctionne de façon satisfaisante avec des tiges ayant des diamètres extérieurs différents, compris par exemple entre 7 et 22 cm. Revendications. 1 Machine pour appliquer un couple de vissage ou de dévissage à des tiges vissées bout à bout, en particulier des tiges 5 verticales de forage, comprenant deux pinces respectivement inférieure et supérieure comprenant chacune un châssis rigide portant des-mâchoires de serrage actionnées par des vérins pour saisir respectivement la partie supérieure d'une tige inférieure et la partie inférieure d'une tige supérieure, 10 la pince inférieure étant fixe en rotation autour de l'axe des tiges et des moyens étant prévus pour faire tourner la pince supérieure par rapport à la pince inférieure d'un angle déterminé autour d'un axe vertical avec un couple important afin de bloquer les deux tiges en fin de vissaqe ou les 15 débloquer en début de dévissage, caractérisée en ce que les mâchoires de serrage ( 66) d'au moins la pince supérieure ( 56), comprenant à une extrémité des mors ( 70) destinés à être appliqués sur la tige, sont chacune montées à rotation autour d'un axe vertical ( 68) sur le châssis rigide ( 54) de 20 la pince, et en ce que les vérins ( 64) d'actionnement de ces mâchoires sont chacun montés à rotation d'une part autour d'un axe vertical ( 74) sur le chassis rigide et, d'autre part, autour d'un axe vertical ( 72) sur la machoire correspondante, l'une de ces mâchoires étant auto-bloquante 25 sur la tiqe pour un sens déterminé de rotation de la pince ( 56) autour de l'axe de la tige et une autre mâchoire étant autoblocante sur la tige pour le sens inverse de rotation. 2 Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, 30 pour chaque mâchoire de serrage ( 66), la tangente horizontale à la surface périphérique de la tige dans la zone d'application du mors ( 70) de cette mâchoire, s'étend entre la tige et l'axe de rotation ( 68) de la mâchoire sur le châssis ( 54) de la pince. 3 Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite tangente horizontale s'étend au voisinage immédiat de l'axe de rotation ( 68) de la mâchoire ( 66). 4 Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce crue l'axe de rotation ( 68) d'une des mâchoires ( 66) de la pince supérieure est prolongé vers le bas par un téton propre à être reçu et guidé dans une rainure incurvée ( 80) de la face supérieure du chassis de la pince inférieure ( 30). 5 Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le châssis ( 54) de la pince supérieure ou de chaque pince est un caisson dans lequel sont logés les mâchoires de serrage ( 66) et leurs vérins d'actionnement ( 64). 6 Machine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pince supérieure ( 56) est reliée à la pince inférieure ( 30) par des bras articulés autour d'axes verticaux, permettant un centrage de la pince supérieure ( 56) 20 sur l'axe ( 13) des tiges, deux de ces bras étant des vérins hydrauliques horizontaux ( 38, 46) constituant les moyens d'entra Inement en rotation de la pince supérieure ( 56) par rapport à la pince inférieure ( 30) autour de l'axe des tiges, les cylindres ( 36, 58) et les extrémités ( 44, 48) des tiges 25 des pistons de ces vérins étant montés à rotation autour d'axes verticaux ( 34, 42, 50, 60) sur la pince inférieure ( 30) et sur la pince supérieure ( 56) respectivement.