Brevet FR2580720A1 — publié le 19861024

Il est décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N" 4 527 637 un système de forage qui utilise un trépan de forage animé d'un mouvement de précession au fond du sondage, d'une manière cycloidale. Ceci produit une action de coupe hautement efficace sur le fond et en particulier sur les parois latérales adjacentes du fond du sondage sous l'effet de l'action de précession cycloïdale Tous ces forages par vibrations cycloidales tendent avantageusement à forer le sondage quelque peu au-delà du diamètre du trépan, ce qui est très utile lors de l'introduction, dans le trou, d'un trépan neuf non usé. Dans le système décrit dans le brevet précité, le palier ou appui du trépan est généralement un palier cylindrique dont l'axe est parallèle à la barre mise en vibrations, ou bien il est autrement maintenu axialement. Cette contrainte axiale du palier du trépan présente plusieurs inconvénients.Tout d'abord, les dents de coupe situées au centre du trépan (c'està-dire à proximité de son axe longitudinal) tendent à glisser latéralement dans la zone centrale de la face du fond du sondage. Dans des formations hautement abrasives, un tel glissement latéral peut être extrêmement destructeur pour les dents de coupe. De plus, sous l'application d'une force longitudinale importante vers le bas sur le trépan ou outil, les molettes ou rouleaux formant les dents à proximité .de l'axe longitudinal du trepan tendent à "accrocher" ou creuser dans la formation, tendant à former momentanément un pivot qui établit instantanément un axe de rotation en ce point.Ceci a pour effet, sur les dents proches des dents "accrochantes", de les faire également rouler et pénétrer dans la formation, les dents situées à des rayons sensiblement différents de ces dents accrochantes tendant donc à glisser à un degré dépendant de l'amplitude de ce rayon. De plus, les dents situées au point inférieur étant proches de l'axe roulent difficilement. Ceci tend à produire une action de coupe non uniforme et une usure des dents, ce qui est particulièrement indésirable lorsqu'on s'attaque à des formations trés dures. Le dispositif selon l'invention élimine les inconvénients mentionnés ci-dessus par l'utilisation d'un élément de coupe sphérique qui est monté sur un palier sphérique à rotule et douille ne contraignant pas axialement la rotation du trépan. Par conséquent, le trépan ou outil selon l'invention peut choisir son propre axe de rotation cycloidal et il n'est pas contraint à un axe déterminé par ses paliers de support, comme c'est le cas du trépan du dispositif de l'art antérieur. Par conséquent, sous l'effet de la force longitudinale agissant vers le bas et de la force vibratoire de précession latérale, l'axe de rotation cycloidal du trépan tend à prendre une orientation inclinée, cet axe virant sous l'effet des forces menantes longitudinales et latérales.En outre, l'amorce d'un mouvement de glissement d'une dent provoque, sous l'effet de la résistance opposée par la formation à ce, mouvement de glissement, une accommodation par le palier, provoquant un changement correspondant de l'axe de l'outil. Par conséquent, toutes les dents tendent à rouler autour du palier, plutôt que dans les zones principales de charge glissant sur ce dernier, comme ,c est le cas avec les paliers de l'art antérieur. L'invention a donc pour objet un palier à action perfectionnée pour l'outil de coupe d'un système de forage vibratoire cycloidal. L'invention a pour autre objet de minimiser l'usure des dents de coupe et d'améliorer l'action de coupe d'un outil ou trépan de forage utilisé dans un système de forage vibratoire cycloidal. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une élévation, avec coupe partielle, d'une première forme de réalisation de l'invention la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne 2-2 de la figure 1 la figure 3 est une vue en plan de dessous de la première forme de réalisation de l'invention ; la figure 4 est une coupe longitudinale d'une deuxième forme de réalisation de l'invention la figure 5 est une élévation avec coupe longitudinale partielle d'une autre forme de réalisation de l'invention ;; la figure 5A est une coupe transversale suivant la ligne 5A-5A de la figure 5 la fiture 5B est une coupe longitudinale partielle à échelle agrandie du pendule de la forme de réalisation de la figure 5 la figure 6 est une élévation avec coupe longitudinale partielle de l'oscillateur utilisé dans la forme de réalisation de la figure 5 ; la figure 7 est une élévation avec coupe longitudinale partielle d'une forme modifiée de la réalisation de la figure 5 ; et la figure 8 est une élévation avec coupe longitudinale partielle d'une variante de l'accouplement entre la tige de forage et l'ensemble -de commande à oscillateur. Une première forme de réalisation de l'invention sera à présent décrite en référence aux figures 1 à 3. Les moyens générant l'énergie cycloidale vibratoire, utilisés dans la présente invention, sont analogues à ceux décrits dans le brevet N" 4 527 637 précité et ils ne seront donc décrits ici que brièvement. Ce système utilise un oscillateur 25 à masse à mouvement orbital, qul est monté fermement, en relation de transmission d'énergie, sur l'ensemble principal de forage par vibrations qui peut comprendre une tige de forage 20. Cet oscillateur à masse orbitale comporteun coussinet 13a formé dans une plate-forme 13, qui porte un arbre 19 comportant un rotor 22 à masse excentrée, entraîné par un arbre flexible 19a.Un moteur 34 est monté sur la plate-forme 13 au moyen d'isolateurs 32 de vibrations, l'arbre 19a étant l'arbre de sortie de ce moteur. Une tige 20 de forage, réalisée en une matière flexible telle que de l'acier, est fixée au carter de l'oscillateur 25 à masse orbitale. Un outil ou trépan 10 de forage se présente sous la forme d'un hémisphère et porte plusieurs dents de coupe îOa disposées sur la totalité de sa surface extérieure. Un palier sphérique 30 à rotule et douille est formé entre la surface sphérique intérieure de l'outil de coupe 10 et une rotule 26, l'outil de coupe disposant d'une liberté limitée de mouvement universel sur le palier 30. L'outil ou trépan de coupe est retenu sur la rotule 26 au moyen d'un élément 12 de retenue de forme annulaire, qui présente une surface intérieure sphérique et est maintenu sur l'outil 10 au moyen de boulons 12a. L'outil 10 est libre de tourner et de se déplacer angulairement comme indiqué, par exemple, en trait mixte. La rotule 26 est réalisée d'une seule pièce avec une queue allongée 24 qui est emmanchée à force dans une partie alésée 20a de la tige 20 de forage et est retenue sur la tige de forage au moyen d'une goupille 27. Lorsque le rotor 22. est mené en rotation, il engendre, dans la tige 20 de forage, une force vibratoire cycloidale. Le rotor 22 est avantageusement entrainé à une fréquence telle qu'il établit une vibration d'onde stationnaire en résonance dans un mode de vibra tions cycloidales dans la tige de forage, comme indiqué par les lignes graphiques 35. On peut se référer aux brevets des Etats-Unis d'Amériaue N" 4 271 915 et N" 4 266 oí9 pour une explicati^n des vibrations cycloi- dales ou en quadrature. Cette énergie cycloidale est transmise à l'outil de forage de la manière suivante. Le tourbillonnement latéral élascique rotatif de l'extré- mité inférieure de la tige 20 de forage provoque un mouvement orbital de la rotule 26 sur un circuit fermé qui est globalement circulaire. Ceci provoque un mouvement de précession de l'outil 10 autour de la zone du fond du sondage 29, les dent-s situées à la périphérie extérieure du trépan étant en contact roulant avec le sondage. Lorsqu'une pression vers le bas est appliquée à l'outil, les dents situées vers son centre tendent à "creuser", plutôt qu'uniquement celles situées à la périphérie extérieure, comme c'est le cas dans l'outil de forage de l'art antérieur. L'axe de rotation de l'outil ne doit pas nécessairement être parallèle à l'axe de la tige 20.Les dents précitées de pivot qui "creusent" se trouvent donc davantage vers le centre de l'outil et les dents centrales glissent donc moins. L'axe de rotation prend une orientation globalement perpendiculaire au pivot instantané. Un lubrifiant est fourni au palier 30 au moyen d'un canal 15 à partir d'un réservoir classique de lubrifiant sous pression (non représenté). Des poches 17 et 21 sont prévues le long du palier pour retenir des débris qui pourraient pénétrer dans la zone du palier, ces débris étant entraînés dans ces poches sous l'effet de la force centrifuge engendrée par la rotation cycloidale de l'outil. Une bague "tori que" 31 est utilisée pour l'étanchéité du palier afin d'empêcher le lubrifiant de s'en échapper. Une seconde forme de réalisation sera à présent décrite en référence à la figure 4. Cette seconde forme de réalisation est similaire à la preniére, houris le fait que des moyens sont prévus sur ia rotule 26 pour limiter le mouvement d 'inclinaison ou i' orientaton de l'outil sur le palier sphérique 30. Ce résultat final est obtenu par la formation, sur la partie supérieure de la rotule, d'un segment sphérique 26a qui présente un rayon supérieur à icelui de la partie 26b formant la partie inférieure du palier sphérique 26.Ainsi, un épaulement 16 est formé à la surface intérieure de la douille de l'outil et il forme, avec un épaulement 18 situé sur la rotule, une butée limitant le mouvement d'inclinaison de l'outil. Il convient de noter que le centre "C" de la rotule est décalé du centre B de l'outil ou trépan en direction de l'extrémité inférieure de ce dernier. Ceci déplace le centre de la poussée produite par la rotule en avant du centre de traînée du trépan, ce qui tend à stabiliser le fonctionnement du trépan. Une autre forme de réalisation de l'invention sera à présent décrite en regard des figures 5, 5A, 5B et 6. Cette forme de réalisation est particulièrement adaptée à une utilisation dans un forage de puits profond , où il est souhaitable de produire l'énergie acoustique ou vibratoire à proximité de l'outil plutôt que de faire descendre cette énergie à partir de la surface le long d'un long train de tiges de forage. Ainsi, dans cette forme de réalisation, l'outil ou trépan sphérique et l'oscillateur cycloÏdal, ainsi que sa commande, sont associés en un sous-ensemble unique dans lequel l'énergie vibratoire en quadrature est transmise directement de l'oscillateur au trépan. Dans cette forme de réalisation, l'ensemble vibratoire principal de forage, qui peut comprendre un tube 20 de forage, apporte une élasticité acoustique qui coopère avec la masse du trépan et de son ensemble de commande pour former le système résonnant dans lequel la réactance acoustique du tube de forage correspond à la réactance de masse de l'ensemble de forage et de commande afin d'établir le fonctionnement en résonance souhaité. L'oscillateur 25 est en fond de trou, immédiatement adjacent à la rotule 26 qui forme le palier à rotule et douille pour l'outil de forage 10.La structure de cet outil ou trépan de forage et celle de son palier à rotule 0t douille sont similaires à celles des formes dé réalisation précédentes et travaillent de la même manière pour produire une précession du trépan dans le fond du forage, d'une manière cyclol- dale. L'oscillateur, sa commande et l'ensemble formé par l'oscillateur et sa commande en fond de trou, en assemblage commun avec le trépan, diffèrent sensiblement des formes de réalisation précédentes. L'oscillateur 25 comporte un rotor déséquilibré 22, ce résultat étant obtenu par la formation d'une cavité 22a dans un côté du rotor. Ainsi, lorsque le rotor est mis en rotation, il produit la vibration cycloidale souhaitée. Le rotor 22 de l'oscillateur est mis en rotation au moyen d'une turbine 40 d'entrainement menée par l'écoulement de boue dans le train de tiges de forage, comme indiqué par les flèches "A" - "C". La commande à turbine fonctionne de la même manière générale que celle décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N" 3 633 688, l'écoulement de boue à partir de la surface, qui est normalement utilisé pour évacuer les débris de coupe, étant également utilisé pour entraîner les ailettes de la turbine. La structure et le fonctionnement de la commande à turbine et de l'oscillateur sont montrés plus en détail sur la figure 6. L'écoulement de boue, indiqué par des flèches "B", est dirigé contre les ailettes 40a de la turbine afin de faire tourner la turbine 40. Après son passage entre les ailettes de la turbine, la boue s'écoule comme indiqué par les flèches "C" audelà du corps de l'oscillateur. L'ensemble 48 de commande a turbine est fixé a l'arbre 45 d'entraînement du rotor 22 de l'oscillateur 25 au moyen d'un écrou 46. Le rotor 22 de l'oscillateur qui, comme indiqué précédemment, est déséquilibré du fait de la cavité 22a qui y est formée, est supporté de façon pouvoir tourner dans le corps de l'oscillateur 25 sur un palier 51 qui peut être du type "Micarta".Ainsi, la turbine fait tourner le rotor 22 afin d'engendrer l'énergie vibratoire cycloidale dans le corps ou carter de l'oscillateur 25. Un résonateur 42 d'équilibrage, sous la forme d'une barre d'acier, peut être suspendu à une masse-tige 47 dans des applications ou un degré d'isolement élevé est souhaité. Une masse 43 formant un pendule est suspendue à l'extrémité de la tige 42. Plusieurs vessies 45 remplies de gaz sont montées dans des trous formés dans le pendule 43. Ces vessies. peuvent avoir la forme d'éléments de tuyau réalisés en une matière flexible telle qu'une toile caoutchoutée, comportant des viroles métalliques et des obturateurs de pression à leurs-extrémités. Les vessies sont mises sous pression de façon à gonfler et elles sont ainsi maintenues en place dans les trous les recevant dans le pendule 43. Plusieurs orifices 49 sont formés dans la paroi du pendule 43 afin d'établir une communication de fluide avec l'extérieur des vessies. Ces vessies remplies de gaz constituent un shunt acoustique qui empêche la génération de vibrations de pression dans la boue. Le résonateur d'équilibrage constitué par la barre 42 et le pendule 43 évite la transmission'd'énergie vibratoire à la massetige 47 et, par conséquent, la dissipation d'énergie dans cette masse-tige.La barre 42 et le pendule 43 forment un système à vibration quart-d'ondes à la fréquence de résonance de l'énergie vibratoire produite par l'oscillateur 25 afin d'équi@@brer efficacement le système vibrant en résonance Fermé ta ' ' ensembLe de l'outil de forage et la tige de forage 2Ç. La vibration résonnante quart-d'ondes du système o equilibrage est indiquée par les formes d'ondes 52, tandis que la vibration quart-d'ondes du système résonnant formé par la tige de forage et l'ensemble du trépan est indiquée par les formes d'ondes 53. femme on ceut le voir, le système vibratoire possède ces noeuds à proximité de la masse-tige 47. ce qui indique @'absence d'énergie vibratoire dans cette zone. Le dispositif de la figure 5 peut également être mis en oeuvre très efficacement pour un forage d'une manière non résonnance, en donnant à ia tige 20 une longueur n engendrant pas de résonance. La tige 20 doit donc être suffisamment élastique seulement pour posséder une certaine souplesse à la flexion latérale afin de permettre la vibration en quadrature souhaitée de l'oscillateur et de l'outil, sans engendrer, en cons en quence, une vibration indésirable de la masse-tige 47. L'extrémité supérieure de la tige 20, à la masse-tige 47, tend à rester immobile du fait de l'inertie de masse de la masse-tige, alors que l'extrémité inférieure de la tige 20 fléchit de façon à offrir deux degrés de liberté à l'oscillateur et au trépan. En référence à présent à la figure 7, on y voit représentée une version modifiée de l'ensemble turbine-oscillateur-trépan des formes de réalisation précédentes. Cette forme de réalisation peut être mise en oeuvre dans un mode non résonnant. La modification porte sur une articulation à pivot à rotule établie entre l'ensemble turbine-oscillateur-trépan et la tige de forage qui n'a donc pas à fléchir élastiquement. Ainsi, un support 53 de pivot à rotule est constitué par des saillies 54 formées sur la tige de forage et des surfaces complementaires 55 f@r@@es sur @e corps de la tarbine. Un element e@nule 57 e@ prevu @@@@ @@@@- ter la course latérale relatie entre ensemble suspendu et la tige de forage et assume également une fonction d'élément de retenue des de:x ensembles l'un à t 'autre. Cette forme de réalisation permet au trépan et à l'oscil- lateur de disposer d'une liberté mécanique complète d'inclinaison sur la cour se orbitale coni@ue afin que le trépan ou outil puisse rouler et tourner sur ia matière à travailler. Le dispositif de la figure 7 est particulie- rement utile pour le forage de trous déviés, tels que des trous latéraux obliques. pour accro tre le drainage des liquides vers le puits principal. Tous les éléments sont identiques à ceux décrits pour la forme de réalisation de la figure 5, sauf que le joint 53 a pivot sphéri- que permet une inclinaison latérale limitée par le diamètre de l'épaulement 57. Des butoirs 20c et 20d limitent également l'angle de déviation. Une variante d'accouplement pour relier la tige de forage et l'ensemble oscillateur-commanee pour un fonctionnement non résonnant sera à présent décrite en regard de la figure 8. Cette forme de réalisation est similaire à celle de la figure 7, hormis le type d'accouplement entre la tige de forage et l'ensemble à oscillateur correspondant. Dans cette forme de réalisation, un accouplement -par brides est utilisé pour permettre une vibration mécanique de nutation de l'outil, de l'oscillateur et de la turbine, ne nécessitant pas de résonance. Autrement, la structure est la même que celle des formes de réalisation précédentes, en particulier celle de la figure 7..Dans cette forme de réalisation, la tige de forage 20 comprend une bride 20a formée à son extrémité dans laquelle l'extrémité d'un organe creux et relativement rigide 62 d'accouplement est emboîtée et retenue au moyen d'un élément circulaire fileté 64. Un épaulement 65 de contact est formé entre la bride 29a et l'extrémité de l'organe 62 d'accouplement, la surface de l'épaulement étant lubrifiée à l'aide de graisse au moyen d'un bouchon graisseur 67. Des bagues toriques 68 et 69 sont prévues pour retenir la graisse le long des surfaces de contact. Il n'est pas nécessaire que l'organe d'accouplement 62 soit en résonance, l'extrémité de la bride supérieure étant en nutation.Une broche 20b est prévue à l'extrémité de la tige de forage afin de centrer et guider l'organe 62 d'accouplement, une bague 72 d'absorption des chocs, en caoutchouc, étant prévue entre l'organe d'accouplement 62 et la broche pour assurer le maintien. d'un jeu déterminé entre eux et pour minimiser l'usure des pièces en mouvement. L'organe 62 d'accouplement est relié au corps 40b de la turbine 40 par un accouplement vissé convenable 75. L'outil est donc libre, du point de vue mécanique, d'effectuer un mouvement de nutation ou de précession avec l'ensemble qui lui est associé. Cette action de précession est particulièrement efficace dans des, puits forés dans des roches dures où de grandes forces doivent être exercées vers le bas et où la conception des brides et des épaulements de cette forme de réalisation offre une capacité de charge très efficace. La longue broche 20b de guidage- limite l'obliquité et assure donc le forage d'un trou rectiligne. il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système de forage décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de forage de puits par vibrations destiné au forage d'un sondage et comprenant des moyens destinés à produire de l'énergie acoustique sous la forme d'un diagramme de vibrations latérales en quadrature, et un ensemble vibrant principal de forage entraîné par ladite énergie acoustique en un mode cycloidal de vibrations, le système étant caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble à outil de forage accouplé à l'ensemble vibratoire principal de forage afin d'en recevoir de l'énergie vibratoire, cet ensemble à outil de forage comprenant une queue (24) reliée par une extrémité à l'extrémité inférieure de l'ensemble vibratoire principal de forage, une rotule (26) reliée à l'autre extrémité de la queue et un outil (10) présentant une douille sphérique qui est ajustée sur la rotule afin de former un palier (30) à rotule et douille, des moyens (12) étant destinés à retenir l'outil dans le palier afin d'établir une liberté limitée de rotation universelle, la rotule effectuant un mouvement orbital sur une course fermée en réponse 9 l'énergie vibratoire et faisant exécuter un mouvement de précession à l'outil dans le sondage. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'outil présente une forme sphérique sur la surface de laquelle des dents de coupe (10a) sont réparties. 3. Système selon la revendication '1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une bague (31) d'étanchéité du palier destinée. à empêcher un fluide lubrifiant de s'échapper du palier. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un canal (15) destiné à alimenter le palier en lubrifiant. 5. Système selon la revendication @, caractérisé en ce qu t Il comporte en outre des épaulements annulaires (16, 18) destinés à limiter le mouvement d'inclinaison de l'outil par rapport à la tige (20) de forage. 6. Système selcn la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des poches (17, 21) ménagées dans l'outil, le long du palier, afin de retenir des débris. 7. Système selcn la revendication 8. Système selon la revendication ,, caractérisé en ce que les moyens destinés à générer l'énergie acoustique comprennent un oscillateur (25) à masse orbi- tale comportant un rotor (22) à masse excentrée, l'oscillateur étant accouplé directement à la rotule et des moyens menant en rotation ledit rotor. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens menant le rotor comprennent une turbine (40) et des moyens destinés à faire passer le courant de fluide à travers la turbine pour la faire tourner. 10. Système selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'ensemble vibratoire de forage et l'outil sont commandés suivant un mode cycloidal résonnant de vibrations. 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un résonateur d'équilibrage (42) accouplé à la tige afin d'équilibrer la vibration resonnante de l'ensemble vibratoire de forage et de l'outil. 2. Système selon @a revendication @@, caractérisé en ce que le rés@na@eur d'e@uilibrage @@@- prend une barre suspendue à l'intérieur de l'ensemble vibratoire de forage et une masse pendulaire (43) suspendue à ltextrémité inférieure de la barre. .3. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que la masse pendulaire comprend des vessies (45) vemplies ce gaz et formant un shunt acousti Que.