Brevet FR2585065A1 — publié le 19870123

Pince automatique pour la préhension et la retenue d'une tige, en particulier sur une tour de forage. L'invention concerne une pince automatique pour la pré- hension et la retenue d'une tige, utilisable en parti- culier sur une tour de forage lors du déplacement des tiges de forage entre des râteliers de rangement prévus sur la tour et l'axe vertical du puits de forage. On sait que, lors du forage d'un puits dans le sol, en particulier d'un puits de pétrole, un train de tiges de grande longueur est descendu dans le puits et porte à son extrémité inférieure un outil de creusement qui doit être changé souvent. Il faut pour cela remonter le train de tiges et le sortir du puits et ensuite le redescendre dans le puits après changement de l'outil. Les tiges de forage vissées bout à bout pour constituer le train de tiges sont dévissées une à une ou par lon- gueurs de trois tiges lorsque le train de tiges est sorti du puits et sont rangées verticalement dans des râteliers prévus sur la tour de forage. Jusqu'à présent, ces opérations de déplacement d'un ensemble de trois tiges sorti du puits et désolidarisé du train de tiges restant dans le puits, sont effectuées à la main, l'ensemble de tiges restant suspendu à des moyens élévateurs lorsqu'il est déplacé de l'axe du puits de forage jusqu'au râtelier de rangement et inverse- ment. Comme ces opérations sont très pénibles et dange- reuses, il est souhaitable de les mécaniser et de les automatiser autant que possible. L'invention propose à cet effet une pince automatique de préhension et de retenue d'une tige, propre à être utilisée sur la tour de forage, quand un ensemble de tiges vissées bout à bout est sorti du puits et désoli- darisé du train de tiges restant dans le puits, et doit être déplacé jusqu'à des râteliers de rangement. La pince automtique selon l'invention, qui comprend un châssis et des mâchoires montées à pivotement sur le châssis, est caractérisée en ce que le châssis comprend à son extrémité avant une fourche en U propre à être engagée avecjeu sur la tige et dont les deux branches parallèles portent les mâchoires précitées qui sont du type à ouverture automatique par butée sur la tige lors de l'entrée de celle-ci dans la fourche, et à retour automatique en position de fermeture de la fourche. Il suffit donc d'engager cette pince sur une tige, en la déplaçant perpendiculairement à l'axe de la tige, pour que la tige puisse rentrer dans la fourche en U en repoussant les mâchoires précitées qui revien- nent ensuite en position de fermeture. La tige est alors retenue par la pince et peut être déplacée par celle-ci. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, les mâchoires de la pince comprennent, sur chaque branche de la fourche, une barre montée à rotation autour d'un axe perpendiculaire au plan du U et mobile autour de cet axe entre une position d'ouverture o elle s'étend le long de la branche de la fourche et une position de fermeture o elle s'étend obliquement par rapport à ladite branche, des moyens élastiques de rappel solli- citant constamment ladite barre vers sa position de fermeture, et un moyen, tel qu'un vérin hydraulique ou pneumatique étant prévu sur le châssis pour déplacer ces barres vers leur position d'ouverture à l'encontre de l'action des moyens de rappel. Il suffit donc d'alimenter ce vérin pour déplacer les barres de leur position de fermeture dans leur position d'ouverture, ce qui permet de libérer la tige au moment désiré et d'en dégager la pince par simple déplacement dans une direction perpendiculaire à l'axe de la tige. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ex- trémité arrière du châssis de la pince est montée à rotation autour d'un axe transversal sur une pièce support et est reliée à celle-ci par des moyens inter- disant sa rotation autour de cet axe tant que le couple de rotation appliqué au châssis reste inférieur à une valeur prédéterminée. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens précités sont constitués par des boulons à rupture franche, parallèles à l'axe transversal précité et vissés à travers des parois du châssis dans des pistons qui sont montés coulissants dans des logements trans- versaux de la pièce support et qui sont sollicités par des ressorts en butée sur les parois correspondantes du châssis. Il se peut en effet, au cours des manoeuvres de remon- tée et de descente d'un train de tiges ou d'un ensemble de tiges, que les moyens élévateurs auxquels sont suspen- dus le train de tiges ou l'ensemble de tiges, viennent heurter la pince si celle-ci n'a pas été dégagée à temps. Il en résulte un risque d'arrachement et de destruction de la pince et de ses moyens de support et de déplacement, qui est évité par cette disposition selon l'invention, le choc des moyens élévateurs sur l'extrémité de la pince se traduisant par la rupture des boulons précités et la rotation du châssis autour de l'axe transversal sur la pièce support. En outre, comme les pistons sont chargés par des ressorts, leurs têtes s'appuyent sur les parois latérales du châssis, d'o un frottement important qui retient le châssis de la pince enposition inclinée par rapport à l'hori- zontale. La résistance des boulons est bien entendu déterminée de façon à ce que leur rupture se produise avant que les moyens de support et de déplacement de la pince puissent être eux-mêmes détériorés par le choc. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère au dessin schématique annexé, qui est une vue en coupe horizontale longitudinale de la pince selon l'invention. Cette pince comprend un châssis 10 qui est monté par son extrémité arrière 12 en forme de chape sur une pièce support 14 déplaçable horizontalement le long de l'axe 16 du châssis 10, par des moyens appropriés. Cette pièce support 14 comprend deux arbres horizontaux 18 transversalement alignés qui sont reçus dans des encoches 20 des bords arrière verticaux des parois latérales 22 de la chape 12 et qui définissent un axe horizontal transversal 24 de rotation du châssis 10 par rapport à la pièce support 14. Le châssis 10 est immobilisé en rotation sur la pièce support 14 au moyen de deux boulons 26 transversalement alignés, qui traversent des orifices des parois latéra- les 22 de la chape 12 et qui sont vissés dans des pis- tons 28 transversalement alignés, logés dans des alésa- ges horizontaux et transversalement alignés de la pièce support 14. Les extrémités en regard des deux pistons 28 sont tournées l'une vers l'autre et un ensemble de rondelles ressorts 30 est enfilé sur une tige trans- versale de guidage 32 et est interposé entre les bases des deux pistons 28.Ces rondelles-ressorts 30 forment ainsi un ressort de compression développant une force importante et sollicitant les deux pistons 28 à l'opposé l'un de l'autre, le long d'un axe transversal horizontal 34 parallèle à l'axe de rotation 24 et situé en avant de celui-ci. Les têtes des pistons 28 ont une forme convexe, par exemple une forme de secteur sphérique, et sont reçues dans des cavités 36 de forme correspondante, formées dans des plaques 38 garnissant les faces internes des parois latérales 22 de la chape et fixées à celles-ci par vissage. Les tiges des boulons 26 sont vissées, à travers les plaques 38, dans des orifices axiaux des têtes des pistons 28. Ces boulons 26 sont réalisés en une matière à rupture franche, par exemple en bronze, tandis que les plaques 38 sont en une matière très dure résistant au frottement des têtes des boulons 28. La partie avant du châssis 10 de la pince forme une fourche en U propre à venir engager une tige de forage dont le contour a été représenté en trait fantôme sur le dessin et qui est d'axe vertical, c'est-à-dire d'axe perpendiculaire au plan du dessin. Cette fourche prévue à l'extrémité avant du châssis de la pince est formée par deux parois verticales 42 du châssis 10, qui s'étendent parallèlement à l'axe 16 précité et qui sont reliées entre elles, à l'opposé de leurs extrémités libres, par une paroi semi-cylindri- que 44 de forme concave, ayant un diamètre supérieur au diamètre extérieur de la partie la plus large d'une tige de forage. Chaque paroi longitudinale 42 du châssis de la pince a une forme de U en section transversale et présente des rebords horizontaux supérieurs et infé- rieurs 46, tournés l'un vers l'autre, sur lesquels sont fixés des axes verticaux 48 de pivotement des extrémités de deux barres50 dont les extrémités opposées sont montées à pivotement autour d'axes verticaux 52 à l'extrémité de deux autres barres 54 formant biel- lettes entre les barres 50 et des coulisseaux 56 guidés en translation le long des faces internes des parois longitudinales 42 du châssis 10. Les extrémités avant des coulisseaux 56 sont reliées à pivotement autour d'axes verticaux 58 aux autres extrémités des biellettes 54 et leurs extrémités arrière sont solidaires de tiges horizontales et parallèles à l'axe 16 du châssis. Les extrémités arrière des deux tiges 60 sont prolon- gées par des tiges horizontales 62 guidées en transla- tion dans des trous d'une plaque transversale fixe 64 du châssis 10 et dont les extrémités arrière sont reliées entre elles par une barre transversale 66 mobile par rapport au châssis 10. La partie médiane de cette barre transversale 66 est fixée à l'extrémité de la tige de piston 68 d'un vérin horizontal 70, dont le corps est fixé au châssis 10 et s'étend dans l'axe longi- tudinal 16 de celui-ci. Des ressorts de compression 72 entourent les tiges 60 et leurs tiges de prolongement 62 et sont en appui à leurs extrémités, d'une part sur un épaulement 74 des coulisseaux 56 et, d'autre part, sur la plaque transversale fixe 64 traversée par les tiges de pro- longement 62. Les ressorts 72 sollicitent.en permanence les coulisseaux 56 vers l'avant, dans la position représentée en moitié supérieure du dessin. Dans cette position, chaque barre et sa biellette 54 forment un V dont le sommet est en saillie entre les deux parois longitudinales 42 du châssis et s'opposent au libre passage d'une tige de forage. Lorsque le vérin 70 est alimenté en fluide sous pression, sa tige de piston 68 est déplacée vers l'arrière et amène, par l'intermédiaire de la barre transversale 66 et des tiges 60 et 62, les coulisseaux 56 dans la position représentée dans la moitié inférieure du dessin. Dans cette position, chaque barre 50 et sa biellette 54 sont sensiblement dans le prolongement l'une de l'autre et sont parallèles aux parois longitudinales 42 du châssis. Lorsque le vérin 70 est mis à l'échappe- ment, les ressorts 72 ramènent automatiquement les coulisseaux 56 vers l'avant et les biellettes 54 ramè- nent les barres 50 en saillie entre les parois longitu- dinales 42 du châssis. Dans cette position, la dis- tance entre les extrémités des barres 50 est inférieure au diamètre extérieur de la partie la plus étroite d'une tige de forage. Cette position des barres est définie par appui de leurs extrémités avant sur des pièces de butée 76 fixées aux extrémités avant des parois longitudinales 42 du châssis. Le fonctionnement de cette pince est le suivant: - Le vérin 70 est mis à l'échappement, de sorte que les deux coulisseaux 56 sont poussés vers l'avant par les ressorts 72 et amènent les barres 50 en position oblique par rapport aux parois longitudinales 42 du châssis de la pince. Lorsque la pince est alors engagée sur une tige verti- cale de forage, et qu'elle est pour cela déplacée hori- zontalement le long de son axe 16, c'est-à-dire perpendi- culairement à l'axe de la tige de forage, la tige vient buter sur les barres 50 et les repousse vers les parois longitudinales 42 du châssis, en surmontant la force développée par les ressorts'72. Dès que la tige de forage s'est suffisamment déplacée vers la paroi semi- cylindrique 44 formant le fond de la fourche et qu'elle a dépassé les extrémités arrière des barres 50, celles-ci sont ramenées en position oblique par les ressorts 72 agissant sur les coulisseaux 56. La tige de forage est ainsi retenue à l'intérieur de la pince, entre les parois longitudinales 42 du châssis , la paroi semi-cylindrique 44, et les extrémités arrière des barres 50. Si la tige de forage vient alors pousser sur l'extrémité d'une barre 50, par exemple lorsque la pinceest dépla- cée vers l'arrière, elle s'appuie sur cette extrémité de la barre 50 ou sur les extrémités des deux barres , mais ne peut dans cette position provoquer l'esca- motage de ces barres et leur pivotement le long des parois longitudinales 42 du chassis. Pour libérer la tige de forage, il est nécessaire d'ali- menter le vérin 70 en fluide sous pression, pour que les coulisseaux 56 soient déplacés vers l'arrière du châssis. Comme indiqué plus haut, lorsque par accident des moyens élévateurs auxquels la tige de forage est suspendue viennent heurter l'extrémité avant du châssis de la pince, ce châssis peut pivoter autour de l'axe transver- sal horizontal 24 si le couple de rotation qui lui est appliqué à son extrémité avant est suffisant pour pro- voquer la rupture des boulons 26. Dans ces conditions, le châssis 10 pivote autour de l'axe 24 sur une cer- taine étendue angulaire, et son mouvement de pivotement est freiné par les têtes de pistons 28 qui sont poussées très fortement par les rondelles ressorts 30 sur les faces planes des plaques 38 précitées. La pince selon l'invention permet donc de saisir et de retenir automatiquement une tige de forage sans qu'il soit nécessaire de faire autre chose que de déplacer la pince pour engager son extrémité avant sur la tige de forage. La libération de la tige par la pince s'effectue égale- ment de façon très simple, par alimentation d'un vérin en fuide sous pression. Le montage particulier de l'extrémité arrière du châs- sis de la pince sur la pièce support évite tout risque d'accident grave et de destruction importante-de matériel. Revendications. 1. Pince automatique pour la préhension et la retenue d'une tige, en particulier sur une tour de forage d'un puits dans le sol, cette pince comprenant un châssis (10) et des mâchoires (50) montées à pivotement sur le châssis, caractérisée en ce que le châssis (10) comprend, à son extrémité avant,une fourche en U pro- pre à être engagée avec jeu sur la tige (40) et dont les deux branches parallèles (42) portent les mâchoires (50) précitées qui sont du type à ouverture automatique par butée sur la tige (40) lors de l'entrée de celle-ci dans la fourche et à retour automatique en position de fermeture de la fourche. 2. Pince selon la revendication 1, caractérisée en ce que les mâchoires comprennent, sur chaque branche (42) de la fourche, une barre (50) montée à rotation autour de l'axe (48) perpendiculaire au plan du U et mobile autour d'un axe entre une position d'ouverture o elle s'étend le long de la branche (42) de la four- che et une position de fermeture o elle s'étend oblique- ment par rapport à cette branche, et des moyens élasti- ques de rappel (72) sollicitant constamment ladite barre (50) vers sa position de fermeture. 3. Pince selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens, tels qu'un vérin hy- draulique (70), de déplacement des barres (50) vers leur position d'ouverture à l'encontre de l'action des moyens de rappel (72). 4. Pince selon la revendication 3, caractérisée en ce que le vérin (70) comprend un corps fixé au châssis et une tige de piston (68) reliée par une tringlerie il de renvoi aux deux barres (50) précitées. 5. Pince selon la revendication 4, caractérisée en ce que la tringlerie de renvoi comprend une barre trans- versale (66) dont les extrémités sont reliées à des tiges(60, 62) parallèles aux branches (42) de la'fourche et guidées en coulissement le long de ces branches, les extrémités de ces tiges étant reliées par des biel- lettes(54)aux barres(50)précitées. 6. Pince selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de rappel sont des ressorts de com- pression (72) entourant les tiges (60, 62) précitées et montés chacun entre un. épaulement (74) de la tige correspondante et une butée fixe (64) portée par le châssis (10). 7. Pince selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'extrémité arrière du châssis (10) est montée à rotation autour d'un axe transver- sal (24) sur une pièce support (14) et est reliée à celle-ci par des moyens (26, 28) interdisant sa rota- tion autour de l'axe (24) tant que le couple de rota- tion appliqué au châssis reste inférieur à une valeur prédéterminée. 8. Pince selon la revendication 7, caractériséee en ce que ces moyens sont constitués par des boulons (26) à rupture franche, parallèles à l'axe transversal (24) précité et vissés à travers des parois (22) du châssis dans des pistons (28) qui sont montés coulissants dans des logements transversaux de la pièce support (14) et qui sont sollicités par des ressorts (30) en butée sur les parois correspondantes (22) du châssis. 9. Pince selon la revendication 8, caractérisée en ce que les têtes des pistons (28) en butée sur les parois (22) du châssis ont une forme de secteur sphé- rique et sont reçues dans des cavités (36) de forme correspondante des parois du châssis.