Brevet FR2586748A1 — publié le 19870306

i ADppareil destiné au foraae,à entrainement en tête. L'invention concerne les appareils destinés au forage. Il est de pratique courante lors d'opérations de forage de faire tourner le train de forage ou d'autres organes tubulaires à mettre en oeuvre à l'aide d'un en- trainement à table tournante ou d'un entraînement en tête à moteur électrique. Les entraînements à table tournante ont un faible rendement et sont coûteux. Les entraînements électriques en tête présentent de nombreux problèmes. Par exemple, pour déplacer et supporter des trains de forage dont le poids va jusqu'à 500 tonnes, les moteurs de traction à courant continu utilisés doi- vent être très gros et en conséquence ils exigent un système de refroidissement du moteur efficace et de grande taille. Surtout, l'utilisation d'un entraînement électrique en tête fait naître des risques potentiels considérables en ce qui concerne la sécurité. A cause de ces risques potentiels, parvenir à répondre aux codes de sécurité adoptés et obtenir la certification en vue des assurances dans le cas d'entraînement électrique en tête constitue un processus fastidieux, coûteux et prenant du temps. De nombreux inconvénients structurels et fonc- tionnels accompagnent également l'utilisation d'entraî- nement électrique en tête. Ainsi, un entraînement élec- trique en tête de type connu utilise un palier de butée coûteux pour supporter le train de forage. Un autre en- trainement électrique en tête de type connu emploie un moteur électrique décalé par rapport à l'arbre qui sup- porte le train de forage, ce qui se traduit par un désé- quilibre dans la répartition du couple de réaction appliquée. Suivant un aspect de la présente invention il est prévu, pour ou en vue de l'utilisation dans une ins- tallation de forage ayant au moins deux rails de guidage s'étendant vers le haut, un appareil comprenant: a) un châssis support pouvant être monté sur lesdits rails de guidage et déplaçable le long de ces rails, et b) un entraînement en tête monté sur le châssis support, caractérisé en ce que c) ledit entraînement en tête comprend un moteur à commande hydraulique ayant un arbre d'entraînement creux. L'entraînement en tête est avantageusement monté sur le châssis support de telle façon que, lors de l'u- tilisation, on puisse le faire tourner dans un plan sensiblement horizontal entre une position de fonction- nement et une position d'entretien. Cet appareil comporte avantageusement des moyens de positionnement de conduite montés sur le châssis sup- port et pouvant être mis en oeuvre pour soulever la con- duite et l'amener en place au dessous de l'entraînement en tête. Les moyens de positionnement de conduite sont de préférence montés sur le châssis support de telle façon que, lors de l'utilisation, ils soient déplaçables dans un plan sensiblement horizontal. L'appareil comporte avantageusement un disposi- tif de serrage de conduite monté sur le châssis support de telle façon que, lors de l'utilisation, il soit dé- plaçable dans un plan sensiblement horizontal. La présente invention propose également, pour ou en vue de l'utilisation dans une installation de forage ayant au moins deux rails de guidage s'étendant vers le haut et un châssis support pouvant être monté sur les rails de guidage et déplaçable le long de ces rails, un appareillage de positionnement de conduite comprenant: a) un bras de mise en place, b) un bol ménagé dans le bras de mise en place pour supporter une conduite, c) une ouverture latérale dans le bol pour per- mettre à une conduite de pénétrer dans le bol, d) des moyens de verrouillage rétractables dis- posés en travers de l'ouverture, et e) des moyens pour relier ledit appareil audit support de telle façon que l'appareil puisse être dépla- cé, lors de l'utilisation, dans un plan sensiblement ho- rizontal. L'appareil comporte avantageusement des moyens pour lever et baisser le bras de mise en place lors de l'utilisation. Pour faire mieux comprendre l'invention et pour montrer comment cette dernière peut être mise en oeuvre, on fera maintenant référence, à titre d'exemple, aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en éléva- tion d'une installation de forage munie d'un appareil suivant la présente invention, - la figure 2 est une vue de dessus de l'appa- reil de positionnement de conduite, en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe d'un maillon d'échappement, - la figure 4 est une vue en coupe d'un accou- plement à démontage rapide à cannelures, - la figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne V-V de la figure 4, - la figure 6 est une vue de dessus, en coupe partielle, d'un assemblage de serrage pour séparation et jonction, - la figure 7 est une vue de côté de l'assembla- ge de la figure 6, - la figure 8 montre, à grande échelle, un dé- tail de l'assemblage montré en figure 7, - la figure 9 est une vue de dessous, en coupe partielle, de la partie basse de l'assemblage de la figure 7, - la figure 10 est une vue en coupe suivant la ligne X-X de la figure 9, et - la figure 11 est une vue en coupe suivant la ligne XI-XI de la figure 9. La figure 1 montre un entraînement en tête 10 suspendu à un pivot 11 de type disponible dans le com- merce, muni éventuellement de maillons d'échappement 12. Les maillons d'échappement 12 sont, à leur tour, fixés & un bloc mobile 13 qui est suspendu par des câbles à un bloc de couronnement 14 du derrick 15. L'entraînement en tête 10 est fixé à un châssis support 16 monté sur des rails de guidage 17 montés sur le derrick 15 de façon & pouvoir glisser sur ces rails. L'entrainement en tête 10 est fixé à l'arbre du pivot 11 par l'intermédiaire d'un arbre creux fileté d'une seule pièce ou en utilisant un accouplement rapide & cannelures 18. Le fluide hydrauli- que qui actionne l'entraînement en tête 10 est amené par des conduites 19 et des tuyaux 20 à partir d'un ensemble à moteur 21 placé en un endroit convenable. L'entraîne- ment en tête 10 comporte un arbre creux 30 ayant une extrémité haute filetée 30a destinée l'accouplement rapide à cannelures 18. L'entraînement en tête 10 est support 16 de façon telle qu'il puisse plan horizontal autour d'un pivot 22 sur port à roue 16 en vue de l'entretien ou service. Un bras 23 de mise en place de rage est également monté à pivot sur le 16 de façon telle qu'on puisse le faire à être reliée à fixé au châssis tourner dans un le chassis sup- de la mise hors conduite de fo- châssis support tourner dans un plan horizontal et l'amener à un point de saisie de con- duite de forage en utilisant des vérins 24 (figure 2). Le bras de mise en place de conduite de forage 23 est déplaçable jusqu'à un point o la conduite de forage 66 est directement au dessus de l'axe du puits à forer. Un vérin ou des vérins supplémentaires 25 (figure 1) soulé- ve(nt) alors la conduite de forage 66 pour permettre d'établir une liaison filetée, soit à l'extrémité basse taraudée 30b de l'arbre creux 30, soit à l'extrémité basse taraudée d'un adaptateur à maillon de levage 27 (lorsqu'on l'utilise) soit encore à l'extrémité taraudée de l'embout de rattrapage 27 (couramment désigné par le terme anglo-saxon saver sub), lorsqu'on l'utilise. Etant donné que la force motrice exercée par l'entraînement supérieur 10 est centrée par rapport à l'arbre creux 30, les forces de réaction sont sensiblement équilibrées et on applique au train de forage une force sensiblement concentrique. Un dispositif de serrage comprenant une section haute 26 et une section basse 31 pivote également sur le châssis support 16 de telle façon qu'on puisse le faire tourner de côté dans un plan horizontal afin de permet- tre l'accès en vue de l'entretien ou de l'enlèvement. Si l'on se reporte encore à la figure 1, on voit que le bras de mise en place 23 est muni d'un bol 33 qui présente un siège évasé de façon à correspondre au rac- cord d'outil de la conduite de forage. Une ouverture la- térale 35a est prévue, et un verrou 35 s'étend à travers elle. Le verrou 35 est déplaçable pour permettre à une conduite de forage d'entrer. Le verrou 35 est repoussé par ressort vers la position de fermeture. Une conduite de forage peut être chargée en la poussant vers l'ouver- ture 35a. On utilise un vérin 36 pour amener le verrou en position ouverte. Le vérin 25, lorsqu'il est ac- tionné, déplace la conduite de forage 66 et l'amène en contact avec le taraudage correspondant de l'embout 67. Le verrou 35 peut aussi bien être actionné manuellement. La figure 3 montre que chaque maillon d'échappe- ment 12 comporte un piston 34 qui est repoussé vers le haut dans un cylindre 34a par le fluide sous pression qui pénètre à l'intérieur du cylindre 34a à partir d'un accumulateur 38. La force interne agit comme un ressort de compression. Lorsque le piston 34 est repoussé vers le bas par une charge, l'énergie potentielle est stockée dans l'accumulateur hydraulique 38. Lorsque la charge se réduit ensuite, par exemple lorsqu'un tronçon du train de forage est en cours de dévissage, la distance entre les trous d'accrochage 43a et 43b diminue, le train de forage proprement dit reste fixe dans le trou et le pivot 11 se soulève au fur et à mesure de la séparation des éléments filetés du train de forage. Lorsque les tronçons sont dévissés, le tronçon haut se dégage au dessus du train de forage proprement dit sous l'action du piston 34 dans le cylindre 34a. Lorsque la charge est entièrement enlevée, la distance entre les trous de fixation 43a et 43b est minimale. Des joints d'étanchéité 37 sont prévus autour du piston 34. Les figures 4 et 5 montrent que l'accouplement à cannelures rapide comprend (a) un organe tubulaire 40 comportant une cannelure mâle et un prolongement portant un élément d'étanchéité 42 et (b) une section 41 munie d'une cannelure femelle qui coopère avec la cannelure mâle. Un collier fileté 39 coopère avec le filetage sur la section 41. Un épaulement interne 45 du collier 39 vient buter contre un rebord 44 de l'organe 40 et ver- rouille en conséquence l'ensemble sous forme d'un équi- page claveté et étanche. Le couple est transmis par l'intermédiaire des cannelures. La figure 6 montre que la section haute 26 du dispositif de serrage comporte un caisson 56 fixé de fa- çon permanente à des bras support 50. Un mors 52 est fixé à un porte mors interne 53 par des broches 58. Les mors 51 et 52 sont prévus pour se déplacer vers l'inté- rieur ou vers l'extérieur sur des guides 57. Le vérin , lorsque sa chambre 65 est mise en pression, amène le mors 51 en contact avec la pièce de travail tubulaire 62. Lorsque le mors 51 s'appuie sur la pièce de travail 52, une force de réaction écarte-le porte mors interne 53 de la pièce de travail 62 jusqu'à ce que le mors 52 fixé au porte mors interne 53 soit refoulé au contact de la pièce de travail 62. Lors du fonctionnement, la mise en pression de la chambre 65 fait naître une force d'ac- crochage qui imprime de façon ferme les mâchoires den- tées 64 dans la pièce de travail 62. Lors du fonction- nement inverse, la chambre 63 du vérin 60 est mise en pression ce qui écarte le mors 51 de la pièce de travail 62. Après une course partielle, le mors 51 vient en con- tact avec des butées 54 qui forcent le cylindre du vérin et le porte mors interne 53 à se déplacer vers l'in- térieur, vers la pièce de travail 62. Cette action écar- te le mors 52 de la pièce de travail 62. La figure 9, qui est une vue de dessous de la section basse du dispositif de serrage, montre un cais- son 56' fixé de façon permanente à une plaque de guidage circulaire 55. Le mors 52' est fixé & un porte mors in- terne 53' par des broches 58'. Les mors 51' et 52' sont capables de se déplacer vers l'intérieur et vers l'exté- rieur en restant alignés par des guides 57'. Le vérin ', lorsque sa chambre 65' est mise en pression, amène le mors 51' en contact avec la pièce de travail 62. Lorsque le mors 51' s'appuie contre la pièce de travail 62, il nait une force de réaction qui écarte le porte mors interne 53' de la pièce de travail 62 jusqu'à ce que le mors 52' vienne en contact avec la pièce de tra- vail 62. Lors du fonctionnement, la pression qui règne dans la chambre 65' fait naître une force de serrage qui appuie énergiquement les machoires dentées 64' contre la pièce de travail 62. Lors du fonctionnement inverse, la chambre 61' du vérin 60' est mise en pression, ce qui écarte le mors 51 de la pièce de travail 62. Après une course partiel- le, le mors 51' vient en contact avec des butées 54' qui forcent le cylindre du vérin 60' à se déplacer vers la pièce de travail 62. Puisque le porte mors interne 53' est fixé au vérin 60', le porte mors interne 53' se dé- place vers la pièce de travail 62 et écarte le mors 52' de la pièce de travail 62, la force étant transférée par les broches 58' qui fixent le mors 52' au porte mors in- terne 53'. Des bras de transmission de couple 68 sont fixés de façon permanente au caisson 56'. Les figures 8 et 10 montrent que la plaque de guidage circulaire 55' a une lèvre de guidage 69 qui est utilisée pour fixer l'ensemble de la figure 9 à la sec- tion haute du dispositif de serrage montré en figure 6. La figure 11 montre une coupe représentative à travers soit la section haute soit la section basse de serrage et elle montre la façon dont un porte mors in- terne (53,53') est fixé à un mors (52,52') en utilisant une broche (58,58'). La figure 7 montre des vérins 70 fixés au bras de transmission de couple correspondant 68 du dispositif de serrage par une chape à l'extrémité de la tige. L'ex- trémité du cylindre est fixée à la section haute par une charnière 61 et la réaction est encaissée par la section haute. Lorsque les vérins 70 sont mis en pression, la section basse fait tourner la ligne centrale des mors inférieurs autour de l'axe y. La lèvre de guidage 69 tourne dans une gorge annulaire 72 (figure 8). Lorsque les boulons 73 sont enlevés, le dispositif de serrage peut tourner librement dans un plan horizontal sur le chassis support 16. Dans ce mode de réalisation, les fluides de fo- rage de puits pénètrent dans le train de forage par un tuyau flexible classique relié au pivot 11 montré en fi- gure 1. Le pivot 11 a un arbre creux que les fluides traversent pour pénétrer dans l'arbre creux 30 de l'en- trainement en tète 20, puis, par les parties creuses des embouts restants ou des dispositifs, vers l'intérieur du train de forage. Le tableau suivant compare certaines caractéris- tiques (mais pas toutes) du mode de réalisation décrit en faisant référence aux dessins avec celles des modes de réalisation décrits dans le brevet US 4 449 596 et avec le pivot de forage électrique Bowen ES-7. Dans la comparaison qui suit, l'art antérieur est identifié par les lettres AA et le mode de réalisa- tion préféré par les lettres MP. Pivot de forage électrique Bowen ES-7 AA: l'énergie électrique est-amenée du généra- teur à l'ensemble à moteur par des câbles électriques à gaine de caoutchouc. Il y a un risque permanent de dom- mages et d'étincelles. Un accident alors qu'il y a des gaz en tête de puits peut être désastreux. MP: commande par fluide hydraulique. Il n'y a - pas de danger d'étincelle. L'ensemble de puissance hy- draulique est placé dans une zone sûre. AA: le système de forage complet pèse à peu près 18 000 kg. MP: le système complet pèse 9 000 kg ou moins. AA: en cas de panne mécanique, il faut descen- dre l'appareil. Le remplacement de l'entraînement élec- trique en tête est complexe et prend du temps. MP: le système est prévu pour permettre un rem- placement rapide de l'entrainement hydraulique en tête. Grâce à cette caractéristique, on épargne des heures de temps d'arrêt. AA: toutes les installations sont équipées d'un système d'entraînement classique (à table tournante) en attente, à cause des durées d'arrêt importantes requises en cas de nécessité de remplacer l'entraînement électri- que en tête. MP: la fiabilité du système et la facilité de remplacement permettrait aux utilisateurs de se passer du système d'entraînement à table tournante; les seuls équipements de secours, requis sont des moteurs électriques en réserve et des composants. Cela épargne un investissement dans l'installation de plusieurs cen- taines de milliers de dollars. AA: une certification en zone dangeureuse est requise pour les nombreux dispositifs de sécurité pour surveiller les systèmes prévus pour rendre l'utilisation de l'appareil sûre en zone dangeureuse. Cela coûte du temps et de l'argent. MP: les dispositifs électriques sont placés au dessous du plancher de forage, dans une chambre sous pression sûre qui existe de toute façon normalement. La multitude de dispositifs de surveillance utilisée sur les entraînements électriques n'est plus requise. AA: au cours du forage un poids excessif du trépan ou le frottement dans le trou arrête le trépan et fait caler le moteur électrique. L'habitude est de réduire le poids du trépan. Puisque la totalité du pot- entiel électrique reste appliquée, la tige de forage accélère et passe & plus de 250 tours/mn en quelques secondes. Cela provoque un serrage à bloc des filets du joint d'outil et détruit la conduite de forage. Le train de forage peut également fouetter et endommager la paroi du trou. La réaction mécanique est transmise jusqu'au derrick par les mécanismes de support et cette vibration endommage la structure et est très bruyante. MP: l'énergie hydraulique est beaucoup plus progressive, de par sa nature même. Le mécanisme du fluide d'entraînement est tel que l'accélération après calage est plus douce et plus uniforme. On cause moins de dommages au trou de forage et à l'équipement. AA: il faut purger à l'air l'intérieur du mo- teur de forage électrique lors du premier démarrage et chaque fois qu'un dispositif de sécurité intervient. Cela peut prendre 10 à 30 mn. MP: il n'y a pas besoin de purge, puisqu'il n'y a pas de système de refroidissement à air. AA: sur les appareils ainsi équipés il y a un danger de fuite d'eau dans le moteur électrique à la suite d'une rupture de l'échangeur de chaleur eau-air pour refroidir l'air du moteur, provoqué par un accident ou la corrosion. Ces systèmes sont exigés chaque fois que les mesures de sécurité sont draconniennes comme sur les plates formes en Mer du Nord. Cela peut endommager le moteur. MP: un tel système n'est pas nécessaire. AA: pour relier la conduite de forage, le bol de levage saisit la conduite de forage et l'extrémité basse est engagée dans la conduite précédente. Il faut une grande habileté pour déposer l'arbre d'entraînement dans le taraudage pour le visser. On peut endommager le filetage. MP: le dispositif de manutention de conduite sur cet appareil a un appareil de levage hydraulique pour venir en prise dans le filetage. Un ajustement approprié garantit une pression minimale sur les filets. Cela est beaucoup plus rapide que lorsque le sondeur doit mettre en oeuvre son habileté et son jugement pour réaliser chaque jonction d'une conduite. AA: lorsqu'on prend un nouveau tronçon de con- duite de forage dont l'extrémité déborde d'environ 1 m au dessus du plancher de forage, il faut pencher vers l'extérieur l'appareil de manutention de conduite. Etant donné que le bol de l'outil de préhension est monté à pivot, l'angle est incorrect pour la conduite. Et les verrous sur l'outil de préhension doivent être fermés manuellement, ce qui prend du temps. MP: on obtient un alignement et une orientation du mécanisme de manutention de conduite pratiquement parfait à l'aide de butées mécaniques et de vérins pour réaliser le mouvement nécessaire. Le verrou est repoussé par ressort de façon à se refermer automatiquement lors- que la conduite est chargée. Un vérin amène le verrou en position d'ouverture. Cela se fait par commande & dis- tance, beaucoup plus sûre. Ce système est toujours plus rapide que la méthode manuelle. AA: investissement beaucoup plus élevé. MP: le système coûte beaucoup moins. Cela ne prend pas en compte l'équipement qu'un opérateur n'a pas à acheter, tel qu'un joint supplémentaire et/ou un en- trainement à table tournante qui amènerait l'économie & plusieurs centaines de milliers de dollars. AA: installer l'appareil sur des installations & terre ou le placer en rattrapage sur des installations en mer (offshore) est très compliqué par suite des di- mensions et des différences de système. MP: le montage en rattrapage sur toutes instal- lations existantes de forage peut être effectué beaucoup plus facilement par suite des dimensions et du poids ainsi que de la simplicité de conception. AA: le système de refroidissement & circuit fermé d'air se charge en poussière de carbone provenant des balais, ce qui peut provoquer des court-circuits internes. MP: il n'y a pas d'utilisation de balais. AA: des calages répétés du moteur électrique principal, surtout pendant plus que quelques instants, alors qu'un courant élevé passe, endommage l'enduit et une rotation ultérieure peut provoquer une panne. MP: aucun de problème de calage de ce genre. De même le mode de réalisation décrit ici se compare favorablement à celui décrit dans le brevet US 4 449 596 appartenant à l'art antérieur sur les points suivants: AA: il faut deux joints & circulation car l'un est d'une seule pièce avec l'embout ou 'sub" de puissan- ce et l'autre doit être utilisé lorsqu'on arrête l'appa- reil. MP: il suffit d'un seul joint à pivot. Le prix courant pour un pivot de 500 tonnes de Continental Emsco est de 43 290 $. AA. il faut un système de refroidissement par air à l'abri de l'explosion. La conception actuelle uti- lise une soufflante montée sur un chariot support ou le plancher de forage et l'air est amené par un flexible en caoutchouc de 20 cm de diamètre. Ce flexible léger est souvent soufflé par le vent et endommagé du fait qu'il pend de la structure de l'installation. De l'air chaud est renvoyé à l'atmosphère et crée une situation dangeu- reuse. La préparation de la documentation pour le moteur de soufflante à courant alternatif et l'approbation re- quise pour le moteur d'entraînement à courant continu prennent du temps et de l'argent. MP: le fluide hydraulique est refroidi par l'eau fournie par l'installation, qui circule dans un refroidisseur de fluide hydraulique. Cet équipement est placé à un emplacement sûr existant. AA: la hauteur, la largeur et la profondeur to- tales sont beaucoup plus fortes. Il faut à peu près 13,8 m de hauteur verticale sur le derrick. MP: l'appareil n'a besoin que de moins de 10,8 mètres. AA: l'appareil n'a pas de mécanisme de montée et descente permettant de réduire la charge sur les filets de tiges de foragelors du dévissage. MP: il est prévu un mécanisme de déséquilibra- ge. AA: l'appareil doit être basculé en arrière pour installer le tubage de puits. MP: toute l'installation normale de forage et de tubage est réalisée avec l'appareil standard. REVENDICATIONS 1. Appareil destiné & être utilisé dans une installation de forage ayant au moins deux rails de guidage (17), comprenant: a) un chassis support (16) pouvant être monté sur lesdits rails de guidage (17) et déplaçable le long de ces rails, et b) un entraînement en tête (10) monté sur le châssis support (16), caractérisé en ce que c) ledit entrainement en tête (10) comprend un moteur à commande hydraulique ayant un arbre d'entraine- ment creux (30). 2. Appareil selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que l'entraînement en tête (10) est monté sur le châssis support (16) de telle façon que, lors de l'u- tilisation, on puisse le faire tourner dans un plan sensiblement horizontal entre une position de fonction- nement et une position d'entretien. 3. Appareil selon les revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce qu'il comprend des moyens (23) de posi- tionnement de conduite montés sur le chassis support (16) et pouvant être mis en oeuvre pour soulever la con- duite et l'amener en place au dessous de l'entraînement en tête (10). 4. Appareil selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que les moyens de positionnement de conduite (23) sont montés sur le châssis support (16) de telle façon que, lors de l'utilisation, ils soient déplaçables dans un plan sensiblement horizontal. 5. Appareil selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de serra- ge de conduite (26,31) monté sur le chassis support (16) en dessous de l'entraînement en tête (10) pour connecter et déconnecter des conduites. 6. Appareil selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que le dispositif de serrage de conduite (26, Z586748 31) est monté sur le châssis support (16) de façon telle que, lors de l'utilisation, il soit déplaçable dans un plan sensiblement horizontal. 7. Appareil de positionnement de conduite desti- né & être utilisé dans une installation de forage ayant au moins deux rails de guidage (17) s'étendant vers le haut et un châssis support (16) pouvant être monté sur les rails de guidage (17) et déplaçable le long de ces rails, comprenant: a) un bras de mise en place (23), b) un bol (33) ménagé dans le bras de mise en place (23) pour supporter une conduite, c) une ouverture latérale (35a) dans le bol (33) pour permettre à une conduite de pénétrer dans le bol (33), d) des moyens de verrouillage rétractables (35) disposés en travers de l'ouverture, et e) des moyens pour relier ledit appareil audit châssis support (16) de façon telle que l'appareil puis- se être déplacé, lors de son utilisation, dans un plan sensiblement horizontal. 8. Appareil selon la revendication 7, caractéri- sé en ce qu'il comprend également des moyens (25) pour lever et baisser le bras de mise en place (23) lors de l'utilisation.