Brevet FR2564133A1 — publié le 19851115

Dans le domaine de l'invention, qui est celui des forages, la présente invention est relative au tré- pan d'un appareil de forage d'un puits de pétrole ou d' un puits géothermique ou analogue, et plus particulière- ment à une amélioration d'un trépan qui est fixé à l'ex- trémité agissante d'une tige de forage et qui est forcé à s'enfoncer dans le sol pour le forer, lorsque la tige de forage est amenée à tourner, au moyen de molettes à dents attachées aux broches inclinées de la partie d'ex- trémité agissante de la tige de forage. Sur les figures 6 et 7 on voit un trépan de fo- rage selon l'art antérieur comportant des dents, ce tré- pan comprenant habituellement un fût 1 fileté pour pou- voir l'attacLer à une tige de forage et deux ou trois branches 2 solidaires du fût 1. Chaque branche 2 est pourvue d'une broche inclinée ou mandrin 5, faisant un certain angle d'inclinaison dans le sol par rapport à la ligne d'axe du fût 1 et constituée de manière à faire saillie dans le sens radial. La broche inclinée 5 est couronnée par une molette coupante 4 qui présente un con- tour "conique" semblable et qui est établie de façon à pouvoir tourner, tout en étant contigẻ à une molette voisine. La figure 7 est une vue en coupe qui comprend l'une des broches inclinées 5 selon l'art antérieur. La broche inclinée 3, faisant saillie à partir de la bran- che correspondante 2 dans le sol, a la forme d'un cylin- dre 3 de diamètre uniforme et présente sa face d'extrémi- té 5, du côté du sol, qui est dirigée normalement à son axe. La face d'extrémité 5 est conformée en son centre avec une broche pilote 6 de plus petit diamètre. La bro- che inclinée cylindrique 5 qui part en ligne droite de la branche 2 présente, à sa périphérie circonférencielle ex- térieure au voisinage de la face d'extrémité 5, une rai- nure 8 permettant de loger à son intérieur une multipli- cité de billes porteuses 7. Entre la broche inclinée 5 et la branche 2, il y a un petit passage 9 servant à amener un lubrifiant dans la partie support. La broche inclinée 3 est confor- mée avec un perçage 10 débouchant dans la face extérieu- re de la branche 2, de façon à guider les billes 7 dans la rainure 8. Le perçage 10 est adapté à communiquer avec le petit trou 9, de façon à fournir un passage pour le lubrifiant. Le perçage 10 ainsi pratiqué est obturé en 11 à la sortie de sa partie de passage du lubrifiant, de façon à empêcher les billes 7 de s'échapper et il est soudé en 12 à la branche 2. La molette 4 a sa région intérieure creuse s' adaptant au contour extérieur de la broche inclinée 3, grâce à un palier ordinaire 13 et aux billes 7. Il s'en- suit que la molette 4 est capable de tourner autour de la broche inclinée 3. A la surface de la molette 4 des pièces à arêtes coupantes 14 sont enchassées, ces piè- ces étant faites d'un alliage de carbure de tungstène. Une bague d'étanchéité souple 15 s'adapte à la base de la broche inclinée 3, partant de la branche 2, de sorte que le lubrifiant arrivant dans la rainure 8 ne peut être évacué à travers le palier ordinaire 13. Poussée dans le sol avec la tige de forage tournante, la molette 4 tourne autour de la broche in- clinée 3, de sorte que le sol est creusé,par la révolu- tion de la molette 4 autour de son axe et autour de la tige de forage. Les billes 7 jouent un rôle dans le palier or- dinaire et agissent pour empêcher la molette 4 de quit- ter la broche inclinée 3. Lorsque le puits de pétrole ou forage géother- mique doit être foré, le trépan est enfoncé dans le sol, tandis que la tige de forage tourne. Lorsque les arêtes coupantes du trépan ou les paliers des molettes sont usés, on retire la tige de forage du trou de forage, afin de remplacer la partie d'extrémité agissante de la tige de forage par une partie neuve et la tige de fora- ge, dont l'extrémité inférieure est maintenant équipée du nouveau trépan, est insérée dans le trou de forage de façon à pouvoir reprendre l'opération du forage. Si la profondeur du puits foré est augmenté, il faut fréquem- ment beaucoup de temps, par exemple un jour entier, pour remplacer le trépan. Afin d'économiser sur le coût du forage, il est important de réduire la fréquence des remplacements du trépan, c'est-à-dire prolonger la durée de vie de ce dernier. La brièveté de la durée d'usage du trépan résul- te beaucoup du fait que les arêtes coupantes sont telle- ment usées qu'on ne peut l'utiliser davantage avec pro- fit ou bien que les paliers de la molette sont tellement usés qu'ils ne peuvent plus servir de support. Les fac- teurs gouvernant la durée de vie des paliers dépendent de la grandeur de la superficie totale des paliers ou de la zone des paliers projetée sur un plan normal à la li- gne d'axe de la tige de forage. Il s'ensuit que la durée de vie des paliers peut être prolongée en réduisant la charge par surface unitaire ou bien en abaissant la vi- tesse de friction relative des paliers. La présente invention a notamment pour objet de fournir une structure de palier nouvelle de façon à allonger au total la durée de vie d'un trépan, en augmen- tant la durée de vie des organes du trépan servant de paliers. Conformément à la présente invention, afin d' obtenir le résultat spécifié ci-dessus, la charge par zone unitaire est réduite en augmentant la zone de sur- face ou en projection des paliers du trépan. Le trépan de forage selon la présente invention comprend: des broches inclinées dont chacune part d'une branche cor- respondante et ayant une face extérieure cylindrique tel- le que son diamètre soit graduellement réduit, suivant une configuration ondulante, de sa partie d'extrémité jusqu'à la branche; et des organes paliers ordinaires, dont chacun est partagé en une multiplicité de parties et comporte une paroi intérieure en contact sur toute sa surface avec la paroi extérieure cylindrique de la bro- che correspondante parmi les broches inclinées capables de tourner autour de la broche inclinée correspondante, de sorte que les organes paliers ordinaires peuvent être adaptés et fixés dans la région creuse d'une molette cor- respondant à la surface périphérique extérieure de l'or- gane palier ordinaire ou fonctionner comme des paliers dits "flottants", en faisant en sorte que la molette s' adapte à la surface périphérique extérieure de l'organe palier ordinaire, en étant capable de tourner par rap- port à cet organe palier. Conformément à la présente invention, avec la structure décrite ci-dessus, même la partie dans laquel- le la capacité porteuse est réduite parce que le palier de l'art antérieur comporte les organes paliers à billes, est clairement conçue ou supportée de façon à augmenter la capacité porteuse et se passer de l'agencement ser- vant à empêcher la molette de s'échapper hors de la bro- che inclinée correspondante au moyen des organes paliers à billes. Comme le diamètre de la broche inclinée varie de manière continue de façon à avoir une partie à petit diamètre dans sa portion intermédiaire, il est possible d'augmenter la zone porteuse et d'empfcher la molette de s'échapper. En outre, si l'on utilise avec cela un pa- lier flottant, il est possible d'abaisser la vitesse de friction relative du palier. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci-après, se rapportant à des modes de réalisation de 1' invention avec référence aux dessins ci-annexés parmi lesquels: la figure 1 est une vue en coupe, montrant une partie du trépan de forage selon un mode de réalisation de la présente invention; les figures 2 et 3 sont des vues en coupe, mon- trant des modifications respectives des broches inclinées du trépan de forage de la présente invention; la figure 4 est semblable à la figure 1, mais pour un autre mode de réalisation de la présente inven- tion; la figure 5 est semblable aux figures 1 et 4, mais pour un autre mode de réalisation encore de la pré- sente invention; la figure 6 est une élévation latérale schéma- tique, montrant le trépan de forage selon l'art anté- rieur et la figure 7 est une vue en coupe montrant une partie du trépan de forage selon l'art antérieur. On décrira maintenant les modes de réalisation préférés de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe montrant à la fois une partie d'une branche et une partie d'une bro- che correspondante, parmi les broches inclinées du tré- pan de forage de l'invention. Chacune des broches inclinées 3, partant radia- lement du centre du trépan avec une inclinaison en di- rection du sol, à partir du fût 1 est formée de façon à comprendre,pour la branche correspondante 2 du trépan: une face d'extrémité 5, constituée par un plan normal à sa ligne d'axe centrale; et une face latérale cylindri- que 16 qui ondule graduellement de façon que son diamè- tre augmente, puis diminue, puis réaugmente, par rap- port à la face d'extrémité 5, ceci étant vu dans le sens axial. La broche inclinée 3 est enfermée par un organe palier ordinaire 17 dimensionné et conformé de façon à être en contact avec la broche inclinée 3, à la fois sensiblement sur toute la surface de la face latérale cylindrique 16 et sur la face d'extrémité de la broche inclinée 3, de manière à pouvoir tourner sur sa surface de contact. L'organe palier ordinaire 17 est habituelle- ment partagé en deux ou trois parties dans la direction axiale de la broche inclinée 3. Une molette 4 est conformée avec une région creuse dont la paroi intérieure est en contact avec 1' extérieur de l'organe palier 17 et est adaptée et fixée sur l'organe palier ordinaire 17 une fois que les diffé- rentes parties de l'organe palier ordinaire 17 ont été assemblées dans la périphérie extérieure de la broche in- clinée 3. Pour la fixation on peut recourir à un embol- tement avec rétreint ou à un soudage par friction, mais sans se limiter à ces deux moyens. La limite entre le bord intérieur de la région creuse de la molette 4 et le bord extérieur de l'organe palier 17 peut être fixée au moyen d'une clavette 18. Entre le fut 1 et chacune des broches inclinées 3 il existe un petit passage 9 et un perçage 10 permettant le passage d'un lubrifiant dans le jeu existant entre la face latérale 16 d'une broche in- clinée 3 et la face intérieure de l'organe palier ordi- naire 17, de façon que l'extrémité ouverte du perçage l0 dans la branche 2 soit obturée par une soudure 19. La grosseur préférée de la broche inclinée 3 sera le diamètre maximal ou l'un des diamètres maximaux à sa base, car elle travaille en porte-à-faux. Le côté extérieur de l'organe palier ordinaire 17 et la paroi intérieure de la région creuse de la mo- lette 4 n'ont pas besoin d'être en contact sur toutes les surfaces, parce qu'il suffit d'établir une force de friction nécessaire pour fixer les deux pièces. La broche inclinée 3 est conformée, au centre de sa face d'extrémité 5, de façon à présenter un évide- ment 20, dans lequel on a fixé, de manière à pouvoir tourner grâce à l'organe palier ordinaire 17, un élément pilote ou broche 21 dont une partie est emmanchée à la presse au centre du fond de la région creuse de la molet- te 4. Cette structure sert à fournir un siège pour obte- nir la stabilité du montage de la molette 4 et absorber la force axiale de la broche inclinée 3. En outre la bro- che pilote 21, à la partie d'extrémité de la broche in- clinée 3, fonctionne également en réagissant contre le moment de rotation qui s'établit et qui résulte de l'usu- re de la broche, faisant tourner la molette 4 dans le sens de la flèche A de la figure 1. Les formes de la face d'extrémité 5 de la bro- che inclinée 3 sont modifiables de diverses façons; la plus simple est fournie par exemple par une face d'extré- mité plate 5 normale à la direction axiale, comme le mon- tre la figure 2. Dans une autre variante qu'on voit sur la figure 3, la face d'extrémité 5 est formée en son cen- tre, comme dans l'art antérieur, par une broche pilote 6 qui est suffisamment courte pour pouvoir seulement s'a- dapter dans l'organe palier ordinaire 17, de manière que la face d'extrémité, du côté du sol, de l'organe palier ordinaire 17 soit aplatie. Par contre, comme on voit sur la figure 4, la broche pilote 21 pénètre dans l'organe palier ordinaire 17, dans la molette 4, de manière que la face d'extrémité 22 de la broche pilote 21 et l'évi- dement 23 du fond de la région creuse de la molette puis- sent tourner l'une par rapport à l'autre. Afin de faire saillir la broche pilote 21 à partir de la broche incli- née 3,.comme représenté sur la figure 4, cette brc"he 3 peut être constituée avec l'évidement 20, dans lequel la broche pilote 21 peut être adaptée et fixée. De plus, comme on voit sur la figure 1, la broche pilote faisant saillie au fond de la région creuse de la molette 4 peut être réalisée solidairement avec la molette 4 ou bien adaptée et fixée dans l'évidement qui est formé au fond de la molette 4. La figure 5 montre un autre mode de réalisa- tion de la présente invention. La structure de la broche inclinée 3 et de l'organe palier ordinaire 17 est sembla- ble à celle représentée sur la figure 1, mais la face extérieure de l'organe palier ordinaire 17 et la face intérieure de la région creuse de la molette 4 ne sont pas fixées, mais engagées avec possibilité de rotation l'une par rapport à l'autre. Dans le bord intérieur de la région creuse de la molette 4 il s'adapte une bague 24, dont la circonférence extérieure est fixée sur le bord intérieur de la molette 4 au moyen d'un emboîtement à rétreint, de manière que la molette 4 ne puisse se dé- gager de l'organe palier ordinaire 17, et dont sa circon- férence intérieure est rendue coulissante par rapport à la base de la broche inclinée 3. La lubrification de la face extérieure de l'organe palier ordinaire 17 et de la face intérieure de la molette 4 est effectuée en amenant le lubrifiant à partir du petit passage 9 et du perçage à une rainure ou disposition analogue, qui est formée dans l'organe palier ordinaire 17. La configuration de la face d'extrémité 5 de la broche inclinée 3, qui est normale à la direction axiale, peut être similaire à celle du cas cidessus mentionné, dans lequel la face extérieure de l'organe palier 17 et la face intérieure de la région creuse de la molette 4 sont fixées. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 5, les faces intérieure et extérieure de l'organe palier ordinaire 17 s'adaptent avec possibilité de rota- tion de façon à former ce qu'on appelle un "palier flot- tant ordinaire". Il en résulte que la vitesse de friction relative des faces de palier peut être réduite pour ac- croltre la durée de vie du palier de manière remarquable. Ainsi selon la présente invention et comme il a été décrit en détail cidessus en exposant les modes de réalisation, la durée de vie du palier peut être remar- quablement accrue en augmentant la surface du palier et cet effet peut être rehaussé lorsque la vitesse de fric- tion relative du palier peut être décélérée dans le cas o l'on adopte le palier ordinaire flottant. REVENDICATIONS 1. Trépan de forage, comprenant un fût dont une extrémité est attachée à une tige de forage, une multiplicité de broches inclinées partant de l'autre ex- trémité dudit fût dans le sens radial et sous une incli- naison dirigée vers le sol par rapport à la ligne d'axe dudit fût, une multiplicité de molettes coupantes mon- tées de manière à pouvoir tourner respectivement sur les- dites broches inclinées, caractérisé en ce que l'amélio- ration réside dans le fait que chacune desdites broches inclinées (3) est conformée de manière à avoir une face latérale cylindrique dont le diamètre diminue graduelle- ment et de manière continue depuis la partie d'extrémité jusqu'à sa base, en ce que chacun des organes paliers ordinaires (17), qui est partagé en une multiplicité de parties dans la direction axiale et qui est monté autour de la broche correspondante, parmi lesdites broches in- clinées, a une face intérieure conçue pour s'adapter sensiblement sur toute la surface avec possibilité de ro- tation, contre la face extérieure cylindrique de ladite broche inclinée, en ce que chacune desdites molettes (4) comporte une région intérieure creuse qui s'adapte à la surface périphérique extérieure dudit organe palier or- dinaire parmi ceux-ci, et en ce que les correspondants desdites molettes et desdits organes paliers ordinaires sont rendus indéplaçables les uns par rapport aux autres dans la direction axiale par l'effet de moyens de retenue. 2. Trépan de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de retenue incluent des moyens pour adapter et fixer la région creuse de la- dite molette contre la surface périphérique extérieure dudit organe palier ordinaire. 5. Trépan de forage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fixation en question se fait par des moyens d'adaptation à rétreint ou à soudage avec solvant par friction. 4. Trépan de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite molette s'adapte avec pos- sibilité de rotation au côté extérieur dudit organe pa- lier ordinaire et en ce que lesdits moyens de retenue incluent une bague (24) fixée au bord intérieur de la région creuse de ladite molette. 5. Trépan de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite bague est fixée par adapta- tion avec rétreint au bord intérieur de la région creuse deladIite molette. 6. Trépan de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un petit pas- sage (9) pour amener un lubrifiant depuis ledit fût jus- qu'auxdites broches inclinées et jusqu'audit organe pa- lier ordinaire. 7. Trépan de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une broche pi- lote (21) en sandwich entre la face d'extrémité de ladi- te broche inclinée et le fond de la région creuse de la- dite molette. 8. Trépan de forage selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite broche pilote pénètre dans ledit organe palier ordinaire et est retenue dans les évidements (20) qui sont formés dans ladite face d'extré- mité et au fond de ladite ouverture de façon qu'elle soit fixée dans l'un desdits évidements, mais puisse tourner l'unepar rapport à l'autre. 9. Trépan de forage selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite broche pilote pénètre dans ledit organe palier ordinaire et est solidaire d'une des- dites faces d'extrémité et du fond de ladite région creu- se, mais s'adapte avec possibilité de tourner dans l'au- tre évidement. 10. Trépan de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits organes paliers or- dinaires est partagé en deux ou trois parties.