Brevet FR2586059A1 — publié le 19870213

La présente invention concerne les percuteurs pneumatiques annulaires destinés au forage despuits, o l'on utilise une double colonne de forage, et transporte à la surface les produits provenant du forage sous forme de ca- rotte et de déblaisé travers les canaux centraux du dispositif et la colonne intérieure de tubes, par un courant de retour d'un agent d'épuration, un porteur d'energie,utilisés dans l'industrie minière, dans la construction et dans la tech- nique de prospection géologique et a plus précisément pour objet les percuteurs pneumatiques destinés au forage des puits. Il est plus efficace d'utiliser la présente inven- tion pour le forage des puits dans un but de prospection des gisements de minéraux se trouvant dans des zones o le terrain est gelé depuis des années de même que sur les plateaux con- tinentaux des mers et des océans, pour le forage des trous de mine dans les carrières de l'industrie minière ainsi que pour la construction de fondations sur pilotis. L'Utilisation d'un percuteur pneumatique annulaire permet alors de résoudre le problème de la poussière et d'élever, dans le cas du forage des puits de prospection géologique, la fiabilité de l'in- formation géologique. Le schéma de circulation inverse de l'agent d'épuration porteur d'énergie, utilisé pour les per- cuteurs pneumatiques annulaires avec une double colonne de forage, permet d'éviter le contact direct de l'agent d'épu- ration avec les parois du puits et de réduire la probabilité de leur congélation et de leur éboulement. Il existe un percuteur pneumatique annulaire appelé perforateur (brevet d'invention de la R.F.A. no. 2854461, CI. Int. E 21 C 3/24, 1978) comprenant un outil de forage annulaire et un percuteur annulaire qui vient le heurter et qui est placé dans un corps cylindrique ayant des orifices de distribution d'air. Le perforateur est pourvu d'une soupape réversible et d'un tube intérieur d'admission des déblais. Le dispositif doit être utilisé avec une double colonne de forage. Cependant, la complexité d'élaboration et la présente de pièces aux minces profilés dimunuent sa fiabilité de fonc- tionnement. Ces inconvénients ont empêché d'utiliser lar- gement ce dispositif dans l'industrie. Il existe un percuteur pneumatique annulaire pour le forage des puits (certificat d'auteur de l'U.R.S.S. no. 1133388 Cl. Int. E 21 C 3/24, 1985) comprenant une en- veloppe, à l'intérieur de laquelle se trouve placés coaxia- lement un tube d'admission des déblais, un corps cylin- 1o drique creux, pourvu d'orifices d'entrée et de sortie, sur lequel est monté un percuteur annulaire ayant la possibi- lité d'effectuer un mouvement de va-et-vient qui forme, avec le corps, les chambres de marche avant et arrière. Un outil de forage est monté sur la partie inférieure de l'enveloppe avec possibilité d'effectuer un mouvement axial: il possède un orifice et, au moins, un canal de purge, qui est en contact permanent avec le système de distribution d'air et l'espace voisin du fond du puits. Une douille, avec possi- bilité de déplacement axial et comportant dans sa partie centrale un chenal annulaire, dans lequel se trouve une sail- lie limitative, est montée entre le percuteur et le corps. Cette construction permet d'éléver la puissance de choc du dispositif grâce à la variation du temps d'amenée du fluide gazeux sous pression dans les chambres de travail. Toutefois, il convient de noter que l'air comprimé s'échappe directement des chambres de travail de l'organe de percussion dans le creux du tube d'admission des déblais sans entrer dans l'espace voisin du fond du puits. De ce fait, par suite d'une épuration insuffisante des déblais du fond du puits, il y a un grand risque que les déblais forment des bouchons dans l'orifice axial de l'outil de forage de forage et du tube d'admission des déblais. L'ensemble des inconvénients susmentionnés diminue l'efficacité du forage des puits sur des terrains qui sont gélés depuis des années. On s'est donc proposé de mettre au point un tel percuteur pneumatique annulaire destiné au forage des puits, dans lequel l'efficacité du forage des puits sur des terrains gelés depuis des années serait élevée, grâce au perfection- nement du circuit d'échappement, la diminution de la fréquence et de la force de frappe en régime de blocage lors du fonc- tionnement du dispositif pouvant être réglée. La présente invention est réalisée à l'aide d'un per- cuteur pneumatique annulaire destiné au forage des puits, com- portant une enveloppe à l'intérieur de laquelle sont fixés coaxialement un tube d'admission des déblais, un corps cylin- drique creux ayant des orifices d'entrée et de sortie et un percuteur annulaire pouvant effectuer un mouvement de va-et- vient et formant avec le corps des chambres de marche avant et arrière, liées à un système de distribution d'air réalisé par des ouvertures d'entrée et d'échappement,tandis qu'un outil de forage est monté sur la partie inférieure de l'en- veloppe de façon à pouvoir se déplacer axialement, compor- tant un orifice axial et au moins, un canal de purge qui est en contact permanent avec le système de distribution d'air et avec l'espace voisin du fond du puits, caractérisé selon l'invention, en ce que chaque canal de purge de l'outil de forage est formé au moins par une rainure longitudinale, située sur une surface extérieure cylindrique et en ce que l'outil de forage est lié, en sa position haute, la cavité d'échappement, formée entre l'enveloppe et le corps au niveau de ses ouvertures d'échappement. Ce mode de réalisation du dispositif permet de diviser le circuit d'échappement en deux branches assurant deux régimes de travail différents. En mettant en contact permanent le canal de purge de l'outil de forage en sa position haute avec la cavité d'échappement, on peut obtenir un régime de travil du dispositif aux paramètres nominaux (calculés) de sortie tels que: fréquence et force pour un coup unique d'une puissance de frappe maximale. Après transfert de l'outil de forage dans sa position inférieure extérieure extrême, le dispositif passe en régime bloca- ge avec une fréquence et une force de frappe du coup ré- duites, indispensables si l'on veut débarrasser le dispo- sitif des bouchons de déblais formés lors du forage des roches gelées depuis des années,ou des roches contenant des inclusions plastiques pouvant devenir compactes, telles que les argiles. On élève ainsi l'efficacité du fonctionnement du dispositif et du forage des puits. Il est avantageux que chaque canal de purge de l'outil *de forage, formé par les rainures longitudinales de l'outil deé-forage, soit relié à la cavité d'échappement grâce aux orifices réalisés dans la partie inférieure du corps. Ce mode de réalisation permet en cas de besoin,d'ob- turer ledit canal de purge par la partie supérieure de la surface extérieure de l'outil de forage et de faire ainsi passerle dispositif en régime de blocage. Grâce à la réduction de la fréquence et de la force des coups portés sur l'outil de forage, le tube d'admission des déblais du dispositif est soumis à des oscillations longitudinales d'onde à la suite de quoi le bouchon de déblais se déteriore réellement. Dans ce cas, les éléments les plus faibles de la construction, tels que les filetages, per- mettent au dispositif d'atteindre,grâce à une puissance réduite des impulsions de choc, le potentiel de vie requis. Il est recommandé de réaliser sur la surfece exté- rieure cylindrique de l'outil de forage en son extrémité supérieure, au moins une rainure longitudinale, isolée du canal de purge de l'outil de forage et qui relie en perma- nence la chambre de marche arrière avec la cavité d'échappe- ment lorsque l'outil de forage se trouve en position in- férieure. Ce mode de réalisation du dispositif permet d'assurer en permanence, grâce au rapport -rigoureusement défini de la surface de la section transversale de la rainure longi- tudinale susmentionnée et du volume de la chambre de marche arrière, une quantité d'air laminé, de celle-ci vers la cavité d'échappement, indépendamment des déplacements axiaux de l'outil de forage sous l'action des charges de choc. On stabilise ainsi les paramètres du cycle de travail de l'en- semble de percussion en régime de blocage du dispositif, et on élève ainsi l'efficacité de son fonctionnement. Il est avantageux de réaliser, dans la partie inférieure de l'enveloppe, sur sa face intérieure cylindrique, au moins une rainure longitudinale qui forme, avec la surface exté- rieure cylindrique de l'outil de forage, un canal de purge supplémentaire, qui est en contact permanent avec la cavité d'échappement et avec l'espace voisin du fond du puits. Ce mode de réalisation du dispositif permet de choisir les sections optimales des canaux du circuit d'échappement, pour assurer l'échappement total de l'air comprimé des chambres de travail de l'organe de percussion en régime de travail nominal, de même que d'assurer au dispositif un régime de blocage, quand les canaux de purge de l'outil de forage sont obturés. Grâce à ce mode de réalisation, on exploite de façon optimale les possibilités technologiques et d 'exploitation du dispositif,qui permettent de déba- rasser des bouchons de déblais l'outil de forage et le tube d'admission des déblais, sans retirer le dispositif du puits, ce qui élève l'efficacité du processus de forage des puits. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une coupe longitudinale axiale schématique d'un percuteur pneumatique annulaire destiné au forage des puits, conforme à l'invention, au moment o il frappe l'outil de forage; la figure 2 représente un organe A sur la figure 1 à l'échelle agrandie; 5. - la figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III sur la figure 1; la figure 4 représente, en coupe longitudinale axiale, le percuteur pneumatique annulaire destiné au forage des puits, selon l'invention, au moment o le percuteur re- vient en arrière (en position supérieure extrême); - la figure 5 représente le même dispositif mais, dans ce cas, un orifice est réalisé dans la partie inférieure de son corps; - la figure 6 représente un organe B sur la figure 5 à l'échelle agrandie; - la figure 7 est une coupe suivant la ligne VII-VII sur la figure 5; - la figure 8 représente le même dispositif mais dans cette variante, une rainure longitudinale est réalisée dans l'outil de forage, en son extrémité supérieure et est isolée du canal de purge de l'outil de forage; - la figure 9 représente l'organe C sur la figure 8 à l'échelle agrandie; - la figure 10 est une coupe suivant la ligne X-X sur la figure 8; - la figure 11 représente, en coupe longitudinale axiale, le même dispositif,au moment o il fonctionne en régime de blocage et frappe l'outil de forage. - la figure 12 représente en coupe longitudiane axiale, le même dispositif, au moment o il fonctionne en régime de blocage lorsque le percuteur revient en arrière (position supérieure extrême du percuteur). Le percuteur pneumatique annulaire destiné au forage des puits (figures 1, 2,3,4) comprend une enveloppe 1, un tube d'admission des déblais 2, un corps cylindrique creux 3, dans la partie supérieure 4 duquel sont réalisées des ouvertures d'entrée 5 tandis que dans la partie inférieure 6 sont prévues des ouvertures d'échappement 7 et un canal d'étran- glement 8. Un percuteur annulaire à gradins 9 est placé à l'intérieur du corps 3. En sa partie supérieure, le corps 3 est relié par l'intermédiaire d'une tubulure 10 à un raccord de réduction 11, auquel est associée une double colonne de forage comportant un tube extérieur 12 et un tube intérieur 13, cette dernière étant accouplée au tube d'admission des déblais 2. Un outil de forage 14, ayant un orifice axial 15 destiné à mettre en contact la cavité 16 du tube d'admission des déblais 2 avec l'espace voision 17 du fond du puits, est monté dans la partie inférieure 6 du corps 3 de manière à pouvoir se déplacer axialement. Un tube d'admission des déblais 2 est monté dans l'orifice axial 15 de l'outil de forage 14 et est raccordé à la partie supérieure 4 du corps 3 à l'aide d'une douille 18 et d'un anneau de blocage 19. Le percuteur annulaire 9 forme, avec le corps 3, une chambre de marche avant 20 et, avec le corps 3, le tube d'admission des déblais 2 et l'outil de forage 14, le per- cuteur annulaire 9 forme une chambre de marche arrière 21. Une chambre de pression 22 est formée entre la tu- bulure 10 et la partie supérieure 4 du corps 3 et est en contact permanent avec la conduite 23 du fluide gazeux sous pression. La chambre 20 et 21 sont liées alternativement par les ouvertures d'entrée 5 à travers la chambre de pression 22 avec la conduite 23 d'air comprimé, et à l'aide des ouvertures d'échappement 7 lesdites chambres 20 et 21 sont alternativement mises en contact avec la cavité d'échappement 24, formée entre l'enveloppe 1 et la partie inférieure 6 du corps 3. Les canaux de purge 26, sont réalisés sur la surface extérieure cylindrique 25 de l'outil de forage 14, sous forme, par exemple, de rainures longitudinales, liées aérodynamiquement à la cavité d'échappement 24 du dispositif, au moment o l'outil de forage 14 (figures 1, 2) se trouve en position supérieure extrême. Des rainures de purge complémentaires 28 (figure 12) sont réalisées dans la partie inférieure de l'enveloppe 1 sur sa surface intérieue cylindrique 27 (figure 3)pour assurer l'amenée d'air depuis la cavité d'échappement 24 dans l'espace 17 voision du fond du puits. Selon la variante de réalisation du percuteur pneuma- tique annulaire représenté sur les figures 5,6,7 la base 29 du corps 3 est placée dans l'alésage de la partie inférieure de l'enveloppe 1. En fixant le corps sans porte-à-faux, on augmente sensiblement la rigidité de l'ensemble de la cons- truction et, par conséquent, la fiabilité du dispositif. Dans la présente variante de réalisation, un orifice est réalisé dans la partie inférieure 6 du corps 3 pour relier la cavité d'échappement 24 avec les canaux de purge 26 de l'outil de forage 14. Ainsi, la surface totale de la section transversale des canaux du circuit d'échappement croit, ce qui améliore le fonctionnement du dispositif. Selon la variante de réalisation du percuteur pneuma- tique annulaire pour le forage des puits, représenté sur les figure 8,9,10 on a réalisé, sur la surface extérieure cylin- drique 25 de l'outil de forage 14, en son extrémité supérieure 31 des rainures longitudinales 32, isolées du canal de purge 26 dans l'outil de forage 14. Les rainures longitudinales susmentionnées 32 sont destinées à déclencher le régime de blocage du dispositif au moment o l'outil de forage 14 se trouve dans sa position inférieure. D'après les résultats obtenus, ce mode de réalisation du dispositif est analogue à la variante représentée sur les figures 1,5. Le percuteur pneumatique annulaire destiné au forage des puits fonctionne de la manière suivante. Un fluide gazeux sous pression, tel que de l'air com- primé, est refoulé dans le dispositif à travers l'espace annulaire 23, compris entre les tubes (figure 1) de la double colonne de forage, puis il passe dans la chambre de pression 22, et de là,par les ouvertures d'entrée 5 de la partie supérieure 4 du corps 3,parvient dans la chambre de marche arrière 21 du percuteur 9. Après être passé par le canal annulaire 33, l'air comprimé arrive sous l'extrémité inférieure 34 du percuteur 9. La chambre de marche avant 20 du percuteur 9 est alors mise en contact par les ouvertures d'échappement 7 et la cavité d'échappement 24 avec l'espace 17 voisin du fond du puits. Sous l'action de la pression d'air comprimé, agissant sur l'extrémité inférieure 34, le percuteur 9 commence sa marche arrière et se déplace vers le haut. Après avoir fermé momentanément grâce à des collets et 36 les ouvertures d'entrée d'échappement 5,7, respecti- vement, du corps 3,le percuteur 9 continue à se déplacer vers le haut sous l'action d'une expansion d'air dans la partie inférieure de la chambre de marche arrière 21. Tandis que le percuteur 9 poursuit son déplacement vers le haut, les ouvertures d'échappement 7 relient la chambre de marche arrière 21 à la cavité d'échappement 24 et à l'espace 17 voisin du fond du puits de basse pression, tandis que les ouvertures d'entrée 5 relient la chambre 20 de marche avant à la chambre de pression 22 et à la conduite d'air comprimé 23 de haute pression. L'air comprimé s'échappe de la chambre de marche arrière 21 dans la chambre d'échappement 24, et de ce fait, la pression dans la chambre 21 devient infé- rieue à celle de la conduite. Simultanément à l'echappement de l'air comprimé de la chambre de marche arrière 21, l'air comprimé arrivé de la conduite, remplit la chambre de marche avant 20. Sous l'action de la pression de l'air comprimé arrivé de la conduite, le percuteur 9 (figure 4) s'arrête en po- sition supérieure extrême, commence sa marche avant vers le bas jusqu'à qu'à ce qu'il porte un coup sur l'outil de forage 14. Avant le coup, les ouvertures d'échappement 7 s'ouvrent dans la cavité d'échappement 24, mettant ainsi en contact la chambre de marche avant 20 avec l'espace 17 voisin du fond du puits. Les ouvertures d'entrée 5 s'ouvrent elles aussi, reliant ainsi la conduite d'air comprimé 23 à travers la chambre de pression 22, à la cnambre de marche arrière 21 du percuteur. Il se produit ainsi un changement dans le mouvement des courants d'air et le cycle de fonctionnement de l'organe de percussion recommence. Suite à l'échappement d'air comprimé des chambres de travail 20 et 21, l'air arrive dans la cavité d'échappe- ment 24, d'o il s'échappe suivant deux circuits d'échappe- ment. Une portion d'air se dirige vers l'espace voisin 17 du fond du puits à travers les canaux de purge 26 de l'outil de forage 14, tandis que l'autre portion d'air arrive dans l'espace 17 à travers les canaux de purge supplémentaires 28 prévus dans la partie inférieure de l'enveloppe 1. Dans l'espace voisin 17 du fond du puits, les deux courants d'air s'unissent, entraînent les déblais de la roche détruite et les véhiculent à travers l'orifice axial 15 de l'outil de forage 14, vers la cavité 16 du tube d'admission des déblais 2 et, ensuite, les entraînent à travers le canal à déblais 37 du tube intérieur 13 de la double colonne de forage vers la surface. Un packer 38, monté sur la surface extérieure du corps 3, empêche l'écoulement de l'air et des déblais dans l'espace 39 annulaire entre le tubage et les parois, entre le dispositif et les parois du puits. La particularité de la construction du percuteur pneumatique annulaire destiné au forage des puits, réside en ce queson mécanisme de percussion peut fonctionner, en plus du régime comportant des paramètres de sortie nominaux (fréquence et force de frappe d'un coup unique et puissance maximale d'un coup), en régime de blocage avec une réduc- tion commandée des paramètres de sortie. Ce régime de blocage est nécessaire si l'on veut efficacement détruire les bouchons de déblais dans l'orifice axial 15 (figure 11,12) de l'outil de forage 14 et dans la cavité 16 du tube d'admission des déblais 2, qui peuvent se former pendant le forage de roches gélées depuis des années, et contenant des inclusions d'argile. Pour faire fonctionner le dispositif en régime de blocage, on monte le dispositif au-dessus du fond du puits. Dans ce cas, l'outil de forage 14 doit être descendu suivant lu l'axe du dispositif au-dessous du niveau du canal d'étran- glement 8, de manière qu'il ferme partiellement l'un des circuits d'échappement par la surface extérieure cylindrique , en diminuant alors la surface totale de leur section transversale. Le cycle de travail de l'organe de percussion s'effec- tue alors de manière analogue au fonctionnement en régime nominal: lorsque les ouvertures d'entrée 5 (figure 11) sont liées à la chambre de marche arrière 21, le percuteur 9 commence sa marche arrière vers le haut. Lorsque les ouvertures d'entrée 5 (figure 12) sont liées à la chambre de marche avant le percuteur 9 commence sa marche aller vers le bas, jusqu'à ce qu'il frappe l'outil de forage 14. Puis, le cycle recommence. L'obturation partielle du circuit d'échappement aboutit cependant à un échappement incomplet de l'air comprimé des chambres de travail 20 et 21 de l'organe de percussidn et, par consé- quent, à une réduction de la fréquence et de la force de frappe des coups et de la puissance de frappe du mécanisme. Lorsque l'outil de forage 14 se trouve en position inférieure (figure 11), la chambre de marche arrière est partiellement désétanchéifiée c'est-àdire, mise en contact permanent à travers le canal d'étranglement 8, avec la cavité d'échappement 24 et avec le circuit d'échappement d'air formé par les canaux de purge complémentaires 28 de l'enveloppe 1. En conséquence, le débit du porteur d'énergie à travers la chambre de marche arrière 21 croit, la pression d'air com- primé moyenne dans celle-ci diminue pendant la marche arrière,ce qui aboutit à une diminution des paramètres de sortie du dispositif. Le fonctionnement du dispositif en régime de blocage s'accompagne d'une élévation du débit d'air,ce qui améliore l'épuration du puits des produits provenant de la destruction des roches. Les impulsions de choc de faible puissance provoquent des vibrations dans le dispositif et, en parti- culier, dans le tube d'admission des déblais, ce qui,ajouté à une purge intensifiée.permet de se débarrasserdes bouchons de déblais du dispositif. L'utilisation du présent dispositif permet une variation commandée des paramètres de sortie, et permet ainsi d'élever les possibilités du fonctionnement et l'effi- cacité de travail du dispositif, lors du forage des puits destinés à différents objectifs. REVENDICATIONS 1. Percuteur Dneumatique annulaire destiné au forage des puits comportant une enveloppe (1) à l'intérieur de laquelle sont fixés coaxialement un tube d'admission (2) des déblais, un corps cylindrique creux (3) ayant des ouvertures d'entrée et d'échappement (5, 7) et un percuteur annulaire (9) pouvant effectuer un mouvement de va-et-vient, formant avec le corps (3) une chambre de marche avant (20) et une chambre de marche arrière (21) liées à un système de distribution d'air à travers des ouvertures d'entrée (5) et des ouvertures d'échappement (7) tandis qu'un outil de forage (14) est monté sur la partie inférieure de l'enveloppe (1) de façon à pouvoir se déplacer axialement, et comportant un orifice axial (15) et au moins, un canal de purge (26), mis en contact permanent avec le système de distribution d'air et avec l'espace (i7) voisin du fond du puits, caractérisé en ce que chaque canal de purge (26) de l'outil de forage (14) est formé au moins par une rainure longitudinale, réalisée sur sa surface extérieure cylindri- que (25), et lorsque l'outil de forage (14) se trouve en position supérieure, elle est reliée à la cavité d'échappe- ment (24) formée entre l'enveloppe (1) et le corps (3) au niveau de ses ouvertures d'échappement (7). 2.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque canal de purge (26) réalisé dans l'outil de forage (14) formé par les rainures longitudinales de l'outil de forage est mis en contact avec la cavité d'échap- pement (24) à travers les orifices (30) réalisés dans la partie inférieure du corps (3). 3.Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une rainure longitudinale (32) est réalisée sur la surface extérieure cylindrique (25) de l'outil de forage (14) en son extrémité supérieure (31) et est isolée du canal de purge (26) de l'outil de forage (14) et relie la chambre de marche arrière (21)à la cavité d'échappement (24), lorsque l'outil de forage (14) se trouve en position inférieure. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une rainure longitudinale est réalisée sur la partie inférieure de l'enveloppe (1) sur sa surface intérieure cylindrique (27), qui forme, avec la surface extérieure cylindrique (25) de l'outil de forage (14), un canal de purge complémentaire (28) qui est mis en contact permanent avec la cavité d'échappement (24) et avec l'espace (17) voisin du fond du puits.