Brevet FR2580029A1 — publié le 19861010

La présente invention concerne un trépan rotatif de forage de roches comportant un système hermétique de lubrifica- tion à égalisation de pression, et plus particulièrement un dispositif de lubrification de trépan o le réservoir r de lubrifiant est placé à l'intérieur du tourillon s'éten- dant axialement et dans une zone immédiatement adjacente à la structure de palier de l'outil de coupe rotatif afin de réduire au minimum la longueur du trajet d'écoulement de lubrifiant et de réduire ainsi le temps de réaction pour l'égalisation de la pression entre le réservoir et le joint de palier. Des systèmes hermétiques de lubrification avec éga- lisation de pression pour trépans rotatifs de forage de roches sont bien connus, tels que celui décrit, par exemple, dans le brevet U.S. 4 199 856 délivré à la Demanderesse. La structure décrite ici correspond d'une façon générale aux trépans rotatifs de forage utilisés avec succès à l'heure actuelle et elle comprend un réservoir de lubri- fiant étanchéifié par diaphragme et disposé dans la partie supérieure de chaque branche du trépan sur laquelle est monté un outil de coupe rotatif. Le diaphragme est en communication fluidique avec l'extérieur du trépan de façon à réagir à la pression fluidique externe. Un trajet d'écoulement de lubrifiant passe au travers du bras pour relier le réservoir de lubrifiant à différentes sorties situées dans ou adjacentes autouril- lon ou broche supportant la structure de palier de l'outil de coupe rotatif. La face arrière de l'outil de coupe rotatif (c'est-à-dire la face adjacente au bras) contient un joint élastomère pour assurer l'étanchéité de la structure de palier par rapport à l'environnement externe du trépan. En fonctionnement, l'environnement externe du trépan est constitué typiquement par de la boue de forage abrasive et des déchets de coupe circulant à grande vitesse et sans de fortes pressions lorsque letrépan est entraîné en rotation en fond de trou. Dans des conditions statiques, le diaphragme flexible du réservoir de lubrifiant main- tient la pression interne du lubrifiant sensiblement éaale à la pression externe de sorte qu'il ne s'établit prati- quement pas de différence de pression de part et d'autre du joint ou de part et d'autre du diaphragme. En consé- quence, dans de telles conditions, il ne se manifeste aucune tendance appréciable de fuite de la boue de forage jusque dans le palier et le système de lubrification, ni également aucune tendance de fuite du lubrifiant vers l'extérieur. Cependant, en pratique, il s'est avéré que les caractéristiques dynamiques de fonctionnement, comme le rebondissement occasionnel du trépan sur le fond du trou foré au cours de sa rotation, produisent localement de brusques augmentations de pression dans le fluide externe, ce qui engendre, bien que pendant une durée relativement courte, des à-coups ou des crêtes de pression qui peuvent également être assez localisés en certains endroits du trépan. Du fait que le lubrifiant remplissant le réservoir et les trajets d'écoulement est relativement visqueux et du fait que le trajet du lubrifiant entre le diaphragme et le joint élastomère est assez long, ces à-coups de pression ne peuvent pas être immédiatement compensés à l'intérieur du système de lubrification, et il en résulte occasionnellement l'établissement d'une assez forte diffé- rence de pression de part et d'autre du joint. Cette dif- férence de pression peut à son tour soumettre le joint à un fort contact de frottement ou de friction qui produit une destruction rapide, sinon immédiate. En outre, suivant que la pression externe est relativement grande ou rela- tivement petite par rapport à la pression interne de lu- brifiant, la boue abrasive peut être refoulée au delà du joint jusque dans la cavité à palier en attaquant le palier et en produisant également une abrasion de la face en caoutchouc du joint, ou bien le lubrifiant peut être refoulé hors de la cavité à palier, ce qui se traduit au cours du temps par un appauvrissement de la quantité limitée de lubrifiant contenue à l'intérieur du réser- voir. En outre, les longs trajets et la grande viscosité du lubrifiant peuvent occasionnellement contribuer à rendre insuffisante la quantité de lubrifiant qui est refoulée dans le palier pour remplacer le lubrifiant perdu ou expulsé. Un quelconque des processus décrits ci-dessus conduit généralement à une destruction prématu- rée du palier et du trépan. La présente invention, tout en utilisant un sys- tème hermétique de lubrification répondant à une pression, présente la particularité que le diaphragme répondant à une pression et le joint élastomère de la cavité à palier sont placés à proximité étroite l'un de l'autre de façon à réduire au minimum la longueur du trajet d'écoulement de lubrifiant entre eux pour réduire également au minimum le temps de réponse servant à l'égalisation de la pres- sion pendant des à-coups de pression. Egalement, chaque partie précitée est exposée et réagit généralement aux mêmes conditions de pression externe. Pour obtenir ce résultat, le réservoir de lubrifiant est placé dans le tourillon ou embout, s'étendant axialement et sur lequel le palier est monté. Le diaphragme flexible est en contact d'un côté avec le lubrifiant provenant du réservoir et, sur la face opposée, il est en contact avec la boue de forage. Le fait que le diaphragme soit adjacent au joint, ainsi qu'une longueur minimale du passage de lubrifiant, maintiennent une égalisation de la pression de part et d'autre du joint, qui réagit ainsi sensiblement immédia- tement à des variations de pression sans retard important, ce qui rend par conséquent le joint plus efficace et ce qui augmente sa durée de service. En outre, le fait que le réservoir soit immédiatement adjacent au palier réduit au minimum la résistance opposée aurefoulement du lubrifiant visqueux, sous l'effet de la pression externe, jusque dans la cavité à palier, en faisant ainsi en sorte que le palier reste lubrifié en cours d'utilisation. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mis en évidence, dans la suite de la des- cription, donnée à titre d'exemple non limitatif, en ré- férence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 est une vue en élévation et en coupe d'un bras d'un trépan rotatif de forage de roches montrant une structure typique de l'art antérieur; la Figure 2 est une vue semblable à la Figure 1 et montrant le système de lubrification de trénan pour roches conforme à la présente invention; la Figure 3 est une vue isométrique à échelle agrandie de la structure de la Figure 2 montrant, dans une partie indiquée en vue éclatée, le réservoir de lu- brifiant délimité par diaphragme; la Figure 4 est une vue en élévation et en coupe semblable à la Figure 2 et montrant une autre réalisation de l'invention. Sur la Figure 1 est représentée une vue en coupe d'un segment d'un trépan rotatif de forage comportant un système de lubrification hermétique et compensé en pression conforme à l'art antérieur. Il est évident que, dans un trépan complet, il est prévu généralement trois segments ou broches de ce genre, comportant chacun un système de lubrification indépendant pour l'outil de coupe rotatif monté dessus. Comme illustré, le trépan 10 comporte un corps pourvu d'une partie supérieure filetée 11 pour la liaison du trépan avec l'extrémité inférieure d'un train de tiges de forage (non représenté). A l'extrémité opposée à l'extrémité filetée, il est prévu une branche 12 dirigée vers le bas et se terminant par une partie formant tourillon 14, dirigée vers l'intérieur et vers le bas et sur la- quelle est monté de façon tournante l'outil de coupe rotatif 16. La partie du trépan 10 placée entre l'ex- trémité filetée et la branche 12 comporte une partie surépaissie 18 en forme de dôme. L'outil de coupe 16 a une forme conique dans l'ensemble et il comporte une structure de coupe 20 en carture de tungstène ou en un autre matériau, aui dépasse extérieurement de sa surface, ainsi qu'une cavité interne 22 profilée de façon à être montée à rotation sur le tourillon 14. En conséquence, comme cela est re- présenté, la cavité interne 22 renferme un embout 24 entrant en contact de butée avec l'extrémité axiale du tourillon 14, un coussinet 26 emmanché dans la cavité de façon à former un palier permettant sa rotation sur le tourillon 14 et une bague torique d'étanchéité 28 en matière élastomère placée dans l'embouchure de la ca- vité 22 afin de créer un joint entre la cavité 22 et le tourillon 24 et de former ainsi un palier hermétique pour l'outil de coupe monté sur le tourillon. L'outil de coupe 16 est retenu sur le tourillon 14 par une pluralité de billes 30 insérées par un passage 32 ménagé dans le tourillon, afin de former une rangée annulaire de billes engagées dans des rainures coopérantes de roulement 31, 33 ménagées respectivement dans le tou- rillon et l'outil de coupe d'une manière telle que, une fois que les billes 30 ont été insérées, elles empêchent l'outil de coupe 16 d'être dégagé axialement du tourillon 14. Le passage de billes 32 est ensuite obturé au moyen d'un tampon 34 soudé en 36 dans le passage de billes 32 mais définissant une partie intermédiaire rétrécie 38 pour des raisons qui seront expliquées dans la suite. Une cavité de lubrifiant 40, ouverte vers la surface extérieure du trépan 10, est prévue dans chaque partie en forme de dôme 18 et contient une réserve de lubrifiant comprenant un récipient de lubrifiant 42 cy- lindrique dans l'ensemble, disposé à l'intérieur de la cavité et comportant une extrémité fermée 43 pourvue d'un orifice 44 de passage de lubrifiant, l'extrémité ouverte opposée comportant un épaulement 45 sur lequel est placé un diaphragme flexible et élastique 46 servant à fermer le récipient. Un chapeau 48 recouvre le diaphragme 46 et délimite une chambre 49 tournée vers le diaphraagme de façon à former un volume dans lequel le diaphragme peut se dilater. Le chapeau 48, le diaphragme 46 et le récipient 42 sont retenus à l'intérieur de la cavité 40 par une bague d'arrêt 50. Le chapeau 48 comporte égale- ment un orifice 52 pour placer la face extérieure du dia- phragme en communication avec le fluide externe entourant le trépan. Le volume entre le diaphragme et le récipient 42 est rempli d'un lubrifiant approprié pour définir une source de lubrifiant pour le palier du trépan. Un passage de lubrifiant 54 est ménagé au tra- vers de la branche 12 du trépan pour placer la cavité de lubrifiant 40 en communication avec l'ouverture 32 de passage de billes à partir d'une extrémité de la cavité qui est généralement adjacente à l'orifice de lubrifiant 44 du récipient 42. Lors de l'assemblage du trépan, le passage de lubrifiant 54, le récipient de lubrifiant 42, la cavité 40 et le volume disponible dans le passage de billes sont tous remplis de lubrifiant par l'intermédiaire d'un orifice 56 (non représenté en détail), ménagé dans la branche et qui est ultérieurement fermé hermétiquement, après le remplissage en lubrifiant. On voit par conséquent que la pression du fluide externe est transmise au lubrifiant se trouvant dans le récipient par l'intermédiaire du diaphragme afin de maintenir le lubrifiant à une pression sensiblement égale à la pression régnant à l'extérieur du trépan. Cette pression est finalement transmise par l'intermédiaire des passages remplis de lubrifiant 54, 32 et de la cavité à palier 22 à la face interne du joint 28 en faisant en sorte que la bague torique d'étanchéité soit exposée, en majeure partie, à une pression interne de lubrifiant aui est sensiblement égale à la pression externe engendrée par le fluide de forage. Cependant, du fait que le lubri- fiant est assez visqueux, il faut intrinsèquement un cer- tain temps d'attente pour qu'une telle égalisation des pressions se produise. C'est pendant cet intervalle d'at- tente que la bague torique d'étanchéité 28 est soumise à un déséquilibre de pression qui a tendance à l'appliquer plus étroitement ou avec plus de friction et qu'également le lubrifiant interne ou le fluide externe est refoulé au travers de l'interface du joint en produisant les effets perturbateurs mentionnés ci-dessus. Egalement, la résis- tance à l'écoulement peut, occasionnellement, empêcher une quantité suffisante de lubrifiant de pénétrer dans le palier pour le maintenir lubrifié. Le système de lubrification conforme à la pré- sente invention est représenté sur la Figure 2 et, comme le montre cette figure, il est logé complètement à l'inté- rieur de la partie inférieure de la branche 12(a). En conséquence, la partie supérieure de la branche qui con- tenait auparavant le réservoir de lubrifiant et le passage d'écoulement, comme dans la structure de l'art antérieur représentée sur la Figure 1, est maintenant complètement massive dans l'ensemble et devient par conséquent inutile pour la description de la présente invention. Sur la Figure 2, des références numériques identiques à celles de la Figure 1 ont été utilisées pour définir des parties communes de la structure. Ainsi, le trépan 10 conforme à la présente invention comprend un outil de coupe 16 qui, comme auparavant, comporte un embout de butée 24, un tou- rillon 26 et une bague torique d'étanchéité 28 qui sont disposés à l'intérieur d'une cavité interne à palier 22. Egalement, comme ci-dessus, le segment de trépan comprend une partie formant tourillon 14a, qui est pourvue d'un passage de billes (non représenté en détail) servant au chargement de billes de retenue 30 destinées à retenir l'outil de coupe 16 sur le tourillon 14a. Il est évident qu'on pourrait utiliser d'autres structures de retenue de cône de trépan, comme la structure de retenue à bague d'arrêt décrite dans le brevet US 568 979, également déli- vré à la Demanderesse. Cela constitue une autre structure de retenue de cône de trépan de l'art antérieur qui peut être utilisée avec ce mode de réalisation de l'invention. Pendant des opérations de forage, un poids est placé sur le trépan de forage de telle sorte que la partie complètement inférieure du tourillon 14(a) devienne le côté chargé (en considérant la Fig. 2) tandis que sa par- tie supérieure devient une surface non chargée. (Ces expressions sont utilisées seulement pour faciliter la description car il est évident que l'ensemble du tourillon supporte la charge et est par conséquent chargé ou soumis à des contraintes et que, même occasionnellement, la sur- face supérieure peut aussi intervenir comme une surface d'appui). Une cavité pour lubrifiant 60 est usinée dans le tourillon 14(a) à partir d'une partie de sa surface non chargée et un orifice de décharge 62 place la cavité de lubrifiant 60 en communication avec les conditions régnant dans le fluide externe et transmises par l'intermédiaire de la face arrière de la branche 12a. Un récipient hermétique de lubrifiant 64 est placé à l'intérieur de la cavité de lubrifiant 60 en con- tact étanche avec le côté de la cavité 60 et il renfermeune vessie formant diaphragme élastique 65ayantdans l'ensemble une forme cylindrique, fermée à une extrémité, ainsi qu'un chapeau métallique 66 reçu dans et fermant l'extrémité opposée, en formant une collerette annulaire 67 pour s'ap- puyer surunépaulement formé dans lacavité 60. Le chapeau 66 comporte un orifice 68 le traversant pour placer l'intérieur de la vessie en communication fluidique avec la surface non chargée du tourillon 14(a) et avec la cavité à palier 22 de l'outil de coupe 16. Une bague d'arrêt 69 retient la vessie 65 et le chapeau 66 à l'in- térieur de la cavité de lubrifiant 60. En référence à la Figure 3, la vessie de lubri- fiant 65 et le chapeau 66 sont représentés juste avant l'insertion de cet ensemble dans la cavité de lubrifiant 60 sur la surface d'appui non chargée du tourillon 14(a). L'ensemble formé par la vessie 65 et le chapeau 66 est initialement rempli d'un lubrifiant approprié et, avant assemblage, les surfaces d'appui du tourillon 14(a)et de l'outil de coupe 16 sont enduites de graisse pour assurer une lubrification initiale desdites surfaces. Le réservoir de lubrifiant (c'est-à-dire l'ensemble formé par la vessie et le chapeau) est retenu en position par la bague d'ar- rêt 69 avant le montage de l'outil de coupe 16 sur la branche 12. Il apparaît par conséquent qu'avec le système de lubrification décrit cidessus en référence aux Figures 2 et 3, le réservoir de lubrifiant formé par la vessie et le chapeau 66 est placé dans une zone immédiatement adjacente à et ouverte vers la zone occupée par le. palier dans la cavité 22, qui est à son tour immédiatement adja- cente à la bague torique d'étanchéité 28. Cela élimine le trajet de lubrifiant de grande longueur qui était antérieu- rement prévu entre la vessie sensible à une pression et le joint, de sorte que, dans toutes les applications pra- tiques, il n'existe aucun temps de retard ou d'attente entre les variations de la pression externe et une réac- tion équivalente du système de lubrification sensible à la pression sur la face interne du joint d'étanchéité, ce qui élimine ainsi des différences de pression de part et d'autre du joint 28 et ce qui réduit également au minimum toute tendance d'échappement du lubrifiant sous l'effet d'une pression interne ou de pénétration de la boue de forage dans la cavité à palier sous l'effet d'une pression externe s'exerçant dans la zone du joint d'étan- chéité constitué par la bague torique. En outre, un trou de décharge 62 relativement long est nécessaire pour placer la face arrière de la vessie 65 dans une condition lui permettant de réagir à la pression du fluide externe; cependant, ce passage ou trou de décharge est rempli du fluide de fond de trou qui réagit généralement immédiate- ment aux conditions régnant en fond de trou, d'une manière bien plus efficace que celle consistant, comme précédem- ment, dans une transmission de la pression par l'intermé- diaire du passage long rempli du lubrifiant très visqueux. Une autre forme de réalisation de l'invention est représentée sur la Fig. 4 ou un passage de billes 32(a) ménagé au travers du tourillon 14(b) de la branche 12 est rempli par un ensemble 70 formant réservoir de lubrifiant et comprenant un élément cylindrique creux ou récipient 72, agencé à une extrémité 74 de façon à former une partie de la voie de roulement qui retient les billes 30 en position correcte à l'intérieur de la cavité 22 contenant le pa- lier de l'outil de coupe tandis qu'il est fermé à l'ex- trémité opposée par un chapeau ou tampon 76 engagé de façon étanche dans le passage de billes 42 et retenu dans celui-ci par exemple par l'intermédiaire d'une bague élastique d'ar- rêt 78. Un diaphragme 80 en matière élastomère est disposé entre l'extrémité ouverte du récipient 72 et le tampon 76 de telle sorte que, quand l'extrémité ouverte du récipient est engagée sur une extrémité de profil correspondant du tampon, le diaphragme 80 soit emprisonné entre les deux parties. Le tampon 76 comporte des trous d'évent 82 ou des trous de décharge qui le traversent pour placer un cOté du diaphragme 80 en communication fluidique avec la face arrière de la branche. Le récipient de retenue de billes comporte des orifices de sortie 84 qui sont placés dans des positions adjacentes à l'extrémité profilée 74 et, avant d'être inséré dans le trou de retenue de billes, il est rempli d'un lubrifiant approprié. Comme ci-dessus, l'outil de coupe 16 est monté sur le tourillon 14(b) après que l'on ait enduit de graisse toutes les surfaces de palier. Les billes 30 sont engagées par l'in- termédiaire du trou 32(a) dans les voies adjacentes de façon à venir se placer entre l'outil de coupe 16 et le tourillon 14(b) pour retenir l'outil de coupe 16 sur celui-ci. L'ensemble 70 formant réservoir et dispositif de retenue de billes, une fois qu'il a été rempli de lubrifiant, est monté et fixé à l'intérieur du trou de retenue de billes 32(a). A nouveau il est à noter que les trous de décharge 82 ménagés au travers du chapeau ou tampon 76 permettent au diaphragme flexible 80 de réagir aux pressions externes exercées par le fluide de forage tandis que la face opposée, placée du côté du réservoir de lubrifiant, réagit immédiatement et, du fait que le réservoir est placé dans une position immédiatement ad- jacente à la cavité contenant le palier, la pression exercée par le lubrifiant sur la face arrière de la bague d'étanchéité exerce une réaction avec un temps de retard réduit au minimum, en égalisant les pressions de part et d'autre du joint d'étanchéité. REVENDICATIONS 1. Trépan rotatif de forage de roches porvu d'un système de lubrification hermétique à compensation de pression et comprenant: un corps de trépan (11, 12, 18) pourvu d'au moins une branche s'étendant vers le bas et se termi- nant par une partie en saillie formant touril- lon, ayant un axe orienté vers l'intérieur et vers le bas; un outil de coupe (16) monté de façon tournante sur ledit tourillon (14a) et définissant une cavité interne servant à recevoir ledit touril- ion (14a); des moyens formant palier (26) disposés à l'intérieurdeladite cavité pour établir un contact d'appui en rota- tion et de transmission de charges entre ledit tourillon (14a) et ledit outil de coupe (16), un joint d'étanchéité (28) disposé entre ledit outil de coupe et ledit tourillon pour assurer l'étanchéité de ladite cavité et du nalier placé dans celle-ci par rapport à des fluides ambiants externes, ladite cavité étanchéifiée étant sensiblement remplie de lubrifiant; un dispositif de lubrification à compensation de pression pour fournir du lubrifiant provenant d'un réservoir à ladite cavité, comprenant un diaphragme flexible réagissant à une pression de fluide externe pour transmettre ladite pres- sion audit lubrifiant, trépan caractérisé en ce que le dispositif de lubrification comprend: un moyen formant réservoir de lubrifiant (64; 70), définissant une chambre (60) dans ledit touril- lon (14a) en formant une partie contenant du lubrifiant qui est en communication fluidique avec ladite cavité à palier (22) à une extré- mité, ladite chambre (60) étant fermée à l'ex- trémité opposée par ledit diaphragme (65; 80), et des moyens définissant un trajet d'écoule- ment depuis un côté dudit diaphragme qui est opposé à ladite partie contenant du lubrifiant jusqu'auxdits fluides ambiants externes; de telle sorte que ladite pression de fluides externes soit transmise, par l'intermédiaire dudit diaphragme (65; 80) et du lubrifiant se trouvant dans ladite chambre et la cavité à palier (22), à la face arrière dudit joint (28) et complète le remplissage en lubrifiant des- dits moyens formant palier (26). 2. Trépan selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chambre (60) placée dans ledit tourillon (14a) est ouverte vers ladite cavité à palier (22) sur un coté non chargé dudit tourillon (14a). 3. Trépan selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen formant réservoir de lubrifiant (64;70) comprend en outre un ensemble formant réservoir et compre- nant un récipient de lubrifiant (64) dimensionné de façon à s'adapter à l'intérieur de ladite chambre (60), ledit diaphragme (65) formant au moins une partie dudit récipient (64) et ledit récipient (64) comportant un orifice et un moyen (69) pour retenir ledit récipient de lubri- fiant (64, 65) dans ladite chambre (60). 4. Trépan selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit rébipient (65)-estun élément cylindrique dans l'ensemble, déformable, fermé à une extrémité et ouvert à l'extrémité opposé et comprenant en outre un élément rigide formant chapeau (66) qui est reçu à l'intérieur de ladite extrémité ouverte pour fermer cette extrémité, ledit chapeau (66) définissant ledit orifice de lubrifiant (68). 5. Trépan selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit ensemble formant réservoir comprend: un récipient cylindrique dans l'ensemble (65), rigide, ouvert à une extrémité et profilé à l'extrémité opposée pour former une partie (72, 74) d'une voie de roulement de billes (30) prévue dans la structure de palier dudit tou- rillon (14a), et ledit orifice de distribution de lubrifiant étant placé dans ladite extrémité; ledit élément formant diaphragme (80) s'appliquant contre et fermant l'extrémité ouverte dudit récipient (65); et un chapeau rigide (66) coopérant avec ledit réci- pient (65) pour fixer ensemble ledit diaphragme et ledit récipient et pour établir un contact d'appui hermétique avec ladite chambre pour le montage dudit ensemble dans ladite chambre (60).