Brevet FR2584451A1 — publié le 19870109

La présente invention concerne un appareil perfectionné pour relever et abaisser un bras de transfert dans un appareil de forage. Plus particulièrement, elle concerne un dispositif de commande pour un bras de transfert rigide, monté relevable et abaissable autour d'un premier axe situé à proximité ou sur un mât de forage, dispositif qui sert à déplacer le bras entre une posi- tion basse près du sol et une position haute en alignement avec le mât, le déplacement entre ces deux positions du bras correspondant à un mouvement de rotation sur un arc d'environ 90 autour du premier axe. Le brevet des EUA 4 407 629, au nom de la demanderesse, décrit un appareil de forage présentant d'importants avantages sur le plan économique et utilisant un bras de transfert relevable et abaissable qui est monté sur ou à proximité du mât de forage et est utilisé pour déplacer des éléments tubulaires du sondage entre une position basse en alignement avec un parc à tiges et une position haute en alignement avec l'axe de forage de l'appareil de forage. De tels bras de transfert augmentent considérablement l'efficacité du travail en réduisant la main-d'oeuvre et le temps nécessaires pour assembler et démonter les tiges de forage. Les éléments tubulaires de forage et de tubage sont habi- tuellement stockés sur des parcs à tiges à l'emplacement de forage. Il est donc avantageux de concevoir le bras de transfert de manière qu'il puisse charger et décharger des éléments tubulaires directe- ment sur et depuis de tels parcs à tiges, en limitant le déplace- ment vertical des éléments tubulaires à un minimum. Pour cette raison, il est hautement désirable de concevoir le dispositif de commande du bras de transfert de manière que les éléments tubu- laires puissent être transférés, entre les parcs et le bras, à un niveau relativement bas, typiquement à une hauteur de l'ordre de 1,50 m à 1,75 m au-dessus du sol. Une solution de l'art antérieur prévoit l'emploi de vérins hydrauliques à trois ou quatre étages pour relever et abaisser le bras de transfert. Cependant, de tels vérins multiétagés ont plusieurs inconvénients importants. Premièrement, il s'est révélé que de tels vérins ont une durée de service relativement courte en de nombreuses applications. Les vérins multiétagés sont typiquement conçus pour un service intermittent et non pas pour un service continu et les opérations continues qui sont nécessaires pour monter et redescendre des tiges de forage pour changer les trépans, repêcher des outils et ainsi de suite, peuvent représenter des charges excessives. De plus, les vérins multiétagés ne sont pas bien adaptés pour résister à des charges Latérales du type de celles se produisant inévitablement Lorsque de lourdes masses-tiges sont roulées dans les serre-tubes montés sur le bras de transfert. En outre, les vérins multiétagés exposent des surfaces relativement grandes venant en contact avec le liquide hydraulique, ce qui peut poser des problèmes lorsque ces surfaces sont exposées à des boues de forage qui tombent d'éléments tubulaires de forage lorsque ceux- ci sont transférés entre la tige de forage et les parcs à tiges. Les vérins multiétagés posent également des problèmes de commande. En effet, un tel vérin Lève le bras relativement lente- ment pendant les premiers 10 ou 20 du mouvement de relevage du bras; par contre, pour un débit donné du liquide hydraulique, la vitesse angulaire du bras de transfert augmente rapidement lorsqu'il s'approche de la position verticale. Il devient ainsi difficile de décélérer le bras en douceur à l'approche de La position haute. Une deuxième solution possible pour relever et abaisser un bras de transfert est montrée dans le brevet des EUA 4 407 629 précité. Le système décrit dans ce brevet utilise un mécanisme articulé de commande avec un vérin hydraulique à un étage et deux bielles de longueur fixe. Cette solution présente également des inconvénients en ce qui concerne le réglage en douceur de La décé- lération et de la vitesse du bras de transfert à l'approche de la position haute. Le système décrit dans le brevet précité utilise un angle de rotation relativement important du bras de transfert pour une extension relativement faible du vérin hydraulique lorsque le bras est près. de la verticale. Pour cette raison, le réglage ou le contrôle précis de la décélération et de la vitesse du bras est difficile à obtenir. L'invention apporte un dispositif de commande perfectionné pour un bras de transfert, du type indiqué au début, qui utilise des vérins hydrauliques robustes et durables, qui est compact et permet un meilleur contrôle de la vitesse et de l'accélération du bras de transfert. Selon l'invention, un dispositif de commande comme défini au début possède un point d'appui fixe par rapport au mât et espacé du premier axe. Une bielle de longueur fixe est articulée par une première extrémité au bras de transfert, autour d'un second axe espacé du premier axe, et possède une deuxième extrémité ou extré- mité extérieure. Un premier vérin, tel qu'un vérin hydraulique à un étage, est articulé par un bout sur l'extrémité extérieure de la bielle et par l'autre bout sur le bras de transfert. Un second vérin, tel qu'un vérin hydraulique à un étage, est articulé par un bout sur l'extrémité extérieure de la bielle et par l'autre bout sur le point d'appui. Le dispositif selon l'invention apporte d'importants avantages. Du fait qu'il peut être équipé avec des vérins à un étage au lieu de vérins multiétagés, il constitue un mécanisme articulé de commande qui est robuste et durable, qui convient bien pour résister aux charges latérales et qui expose seulement une surface hydaulique - venant en contact avec le liquide hydraulique- relativement petite à la salissure. Le mécanisme selon l'invention est compact et convient excellemment pour abaisser le bras de transfert jusqu'à un point o ce bras s'étend parallèlement à une faible hauteur audessus du sol. La prévision de deux vérins permet un meilleur contrôle de la vitesse et de l'accélération du bras lorsqu'il approche la position haute en alignement avec le mât de forage. Ce contrôle amélioré rend le mécanisme selon l'invention apte à une manoeuvre rapide et entièrement automatique du bras de transfert. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en élévation Latérale d'un appa- reil de forage utilisant un mode de réalisation actuellement préfé- ré du dispositif de commande selon l'invention; le bras de transfert étant représenté en position haute; et - les figures 2 et 3 sont des vues semblables montrant le bras de transfert à une position intermédiaire respectivement en position basse. Les dessins représentent des parties - ayant de l'intérêt pour la présente description - d'un appareil de forage 10 comportant un mât de forage 12 et un bras de transfert 14. Le bras 14 est relevable et abaissable comme une unité rigide, par rotation autour d'un premier axe 20 qui est fixe par rapport au mât 12. Le bras de transfert 14 porte deux serre-tubes 16 qui sont espacés l'un de l'autre et servent à fixer des éléments tubulaires de sondage au bras 14 lorsque celui-ci est utilisé pour relever des éléments tubulaires de sondage d'un parc à tiges jusqu'en alignement avec la tige de forage et pour abaisser de tels éléments de la position en alignement avec la tige de forage jusqu'au parc à tiges. Il est à noter que le dispositif de commande selon l'in- vention convient pour une grande variété d'appareils de forage et de bras de transfert, l'appareil de forage 10 et le bras 14 ayant seulement été représentés pour l'explication d'un mode de mise en oeuvre de l'invention. Par exemple, le dispositif de commande selon l'invention peut facilement être adapté pour être employé avec des forages obliques o le mât 12 n'est pas orienté verticalement et o l'angle entre les positions extrêmes du bras de transfert sera généralement différent de 90 . De même, le bras de transfert 14 peut être réalisé sous forme d'une construction monocoque en voile mince autoportante, ou sous forme d'une construction en treillis. Comme l'invention n'est pas liée à une structure particulière du bras de tansfert 14 ou du mât 12, les particularités de ce bras et de ce mât ne seront pas décrites plus en détail ici. Un exemple de bras de transfet 14 convenable est décrit plus en détail dans le brevet des EUA 4 407 629 déjà cité. Selon l'invention, un point d'appui 22 est relié rigide- ment à l'appareil de forage 10 en un point espacé du premier axe 20. une bielle 24 de longueur fixe, possédant une première extrémi- té 26 et une deuxième extrémité ou extrémité extérieure 28, est articulée au bras de transfert 14 autour d'un second axe 30 qui est espacé du premier axe 20. Un premier vérin 32, par exemple un vérin hydraulique classique à un étage, possède un premier bout 34 qui est articulé sur le bras de transfert 14 et un second bout 36 qui est articulé sur l'extrémité extérieure 28 de la bielle 24. Le dispositif de commande selon l'invention comporte un deuxième vérin 38, pouvant également être constitué par un cylindre hydraulique classique à un étage par exemple, qui est articulé par un premier bout 40 sur Le point d'appui 22 et par son second bout 42 sur l'extrémité extérieure 28 de la bielle 24. Les deux vérins coopèrent avec la bielle 24 pour relever et abaisser le bras de transfert 14 en douceur et de façon aisément contrôlable. La figure 3 montre le bras 14 à sa position basse, o il s'étend parallèlement à la surface du sol. Pour relever le bras de transfert 14, du liquide hydrau- lique sous pression est envoyé dans les deux vérins 32, 38. Comme le premier vérin 32 travaille avec un bras de levier plus favorable que le second vérin 38 lorsque le bras 14 est en position basse, le premier vérin 32 s'étend avant le second, relevant ainsi le bras 14 à la position intermédiaire représentée sur la figure 2. Pendant le levage du bras, le premier vérin 32 s'étend complètement, comme représnté sur la figure 2, et le second vérin 38 commence à s'étendre ensuite. Le second vérin continue son extension jusqu'à ce que le bras 14 occupe la position haute visible sur la figure I; à cette position, les deux vérins seront généralement étendus complètement. Même lorsque le bras 14 s'approche de cette position haute, l'orientation angulaire du second vérin 38 est telle que ce vérin permet un excellent contrôle de l'accélération et de La vitesse du bras. Pour cette raison, le mécanisme représenté sur les figures 1 à 3 permet la manoeuvre précise, rapide et entièrement automatique du bras de transfert 14. Comme on peut le voir sur les dessins, dans le mode de réalisation actuellement préféré, le second axe 30 et l'autre bout articulé 34 du premier vérin 32 sont situés sur le côté supérieur - en position abaissée par exemple - du bras de transfert 14. On voit également que, dans ce mode de réalisation, le second vérin 38 est à peu près parallèle au bras 14 et au sol quand le bras est en position basse. Lorsqu'on désire abaisser le bras de transfert 14, la séquence décrite cidessus se déroule en sens inverse. Il peut être souhaitable dans certaines applications de prévoir au besoin des soupapes séparées pour commander l'admission de liquide hydraulique sous pression dans les deux vérins 32, 38 afin que l'extension et la rétraction des vérins s'effectuent dans l'ordre voulu. Cependant, l'emploi de soupapes séparées peut être-évité dans de nombreuses applications du fait que, généralement, l'emplacement, l'agencement et les dimensions des vérins 32, 38 seront choisis de telle manière que ces deux vérins s'étendent et se rétractent auto- matiquement dans l'ordre voulu, comme décrit dans ce qui précède. Une particularité importante du mécanisme selon l'inven- tion est que l'axe 30 est aspacé de l'axe 20. Dans le mode de réalisation représenté, l'axe 30 est situé à peu près à mi-chemin entre l'axe 20 et le bout articulé 34 du vérin 32 se trouvant à l'opposé de son bout articuLé sur la bielle 24. La demanderesse a trouvé que l'on obtient ainsi un mécanisme compact permettant un contrôle particulièrement favorable de la vitesse et de l'accéléra- tion du bras de transfert 14. Cela provient de ce que, lorsque le montage est réalisé comme représenté sur les dessins, la bielle 24 fait monter le bout supérieur 42 du vérin 38 à une excellente posi- tion pour la maitrise parfaite deL'accélération finale du bras 14 dans son approche de la position haute représentée sur la figure 1. Il ressort de ce qui précède que l'invention procure un système perfectionné de commande ou de positionnement pour un bras de transfert, permettant un excellent contrôle de la vitesse et de L'accélération, qui est durable et bien adapté pour résister aux endommagements pouvant résulter éventuellement de charges laté- rales, et qui se laisse facilement intégrer dans un système entiè- rement automatique de commande à grande vitesse du bras de trans- fert. Bien entendu, on comprendra que de nombreux changements et modifications sont possibles, par rapport au mode de réalisation préféré qui vient d'être décrit, sans sortir du cadre de l'inven- tion. Par exemple, les vérins 32, 38 et la bielle 24 peuvent être utilisés en tant qu'éléments uniques, comme représenté sur les dessins, mais il est également possible de prévoire deux jeux iden- tiques, comprenant chacun deux vérins et une bielle, un jeu sur chaque côté du bras de transfert 14. Egalement comme décrit dans ce qui précède, la structure du bras lui-même peut être variée large- ment, suivant l'application particulière, et il en va de même pour ce qui concerne la structure de l'appareil de forage et du mât de forage 12. L'invention n'est donc nullement limitée aux formes de réalisation décrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande pour un bras de transfert rigide, monté relevable et abaissable autour d'un premier axe situé à proximité ou sur un mât de forage, le dispositif de commande servant à déplacer le bras entre une position basse près du sol et une position haute en alignement avec le mât, le déplacement du bras entre ces deux positions correspondant à un mouvement de rota- tion sur un arc qui est notamment d'environ 90 autour du premier axe, caractérisé en ce qu'il comprend: un point d'appui (22) fixe par rapport au mât (12) et espacé du premier axe (20); une bielle (24) de longueur fixe, qui est articulée par une première extrémité au bras de transfert (14) autour d'un second axe (30) espacé du premier axe (20) et qui possède une deuxième extrémité ou extrémité extérieure (28); un premier vérin (32) articulé par un bout sur l'extrémité extérieure de la bielle (24) et par l'autre bout sur le bras de transfert; et un second vérin (38) articulé par un bout sur l'extrémité extérieure de la bielle (24) et par l'autre bout sur le point d'appui (22); les premier et second vérins (32, 38) coopérant avec la bielle (24) pour déplacer le bras de transfert (14) entre les posi- tions haute et basse, de manière que les deux vérins soient étendus à la position haute du bras de transfert, le second vérin (38) étant orienté à peu près parallèlement au bras de transfert et à la surface du sol lorsque le bras de transfert est en position basse. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chacun des vérins est constitué par un vérin hydraulique à un étage. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le second axe (30) et l'autre bout articulé (34) du premier vérin (32) sont situés sur le côté supérieur du bras de transfert (14). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un dispositif pour envoyer un liquide hydraulique sous pression simultanément aux deux vérins (32, 38) Lorsque - Le bras de transfert (14) occupe la position basse, en vue du relevage du bras à la position haute. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans Lequel Les deux vérins sont disposés, agencés et dimensionnés de manière que le premier vérin (32) s'étende avant le second vérin (38) lorsque du liquide hydraulique sous pression est envoyé simultanément aux deux vérins quand le bras de transfert (14) est en position basse. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 - à 5, dans lequeL Le second vérin (38) est orienté à peu près parallèLement au bras de transfert (14) et à la surface du sol lorsque le bras de transfert est en position basse.