Brevet FR2613417A1 — publié le 19881007

La présente invention concerne les outils utilisés dans les puits de pétrole et comportant un dispositif destiné à assurer une lubrification supplémentaire du pa- lier de l'outil et en particulier, elle concerne un élément poreux d'étanchéité qui permet la circulation des fluides de forage dans le palier, avec filtration des particules qui pourraient provoquer une détérioration. On utilise beaucoup des ensembles à palier étanche, de type lubrifié, dans les outils de forage tels que les outils de coupe et les trépans aléseurs à molettes, afin que la durée d'utilisation de ces outils soit prolongée. En l'absence d'une lubrification constante, la chaleur et le frottement dus à la rotation de l'outil provoquent une détérioration des paliers et une panne de l'outil. De même, en l'absence de joints destinés à fermer le carter du palier, des particules pouvant provoquer des détériorations pénètrent dans l'appareil alors que le lubrifiant s'en échappe. Dans tous les cas, la durée d'utilisation de l'outil est sévèrement limitée. Ainsi, ces outils rotatifs comportent en général un réservoir de lubrification et des éléments d'étanchéité destinés à prolonger la durée d'uti- lisation de l'outil. Un exemple de tel ensemble à palier étanche est représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 182 425 qui concerne un trépan aléseur ayant un palier étanche à compensation de pression. On a cependant constaté que ce type de palier, avec une réserve initiale de lubri- fiant, durait plus longtemps que les éléments de coupe formés de carbure de tungstène, et donc que l'incorporation d'une réserve supplémentaire de lubrifiant était superflue. Etant donné le perfectionnement des éléments de coupe afin que leur durée d'utilisation soit prolongée, des ensembles perfectionnés d'étanchéité et de lubrification sont néces- saires. Le réservoir de lubrification à compensation de pression, mettant en oeuvre la pression régnant au fond d'un sondage pour la transmission constante d'un lubri- fiant, peut avoir une fabrication coûteuse et peut présen- ter des défauts de fonctionnement ou peut s'épuiser si bien que l'outil peut être détérioré. D'autres ensembles ont été mis au point et utilisent les propriétés lubrifiantes des fluides de forage. Ces ensembles permettent une circulation libre dans l'outil afin que les fluides de forage puissent assurer la lubrifi- cation du palier. Cependant, étant donné la présence de particules de coupe provenant de la formation, existant dans ces fluides présents en fond de sondage, des détério- rations et des défauts de fonctionnement ont souvent résul- té de l'utilisation de ces ensembles. Ainsi, ces-outils ont une faible durée d'utilisation et doivent être remplacés fréquemment. L'invention remédie aux inconvénients des ensembles connus de lubrification par réalisation d'un outil auto- lubrifiant pour puits de pétrole, utilisant des joints poreux qui permettent la circulation des fluides de forage dans l'outil tout en filtrant les grosses particules for- mées par les débris de la formation si bien que la détério- ration de l'outil par ces particules est empêchée. L'ensemble d'étanchéité selon l'invention peut être utilisé dans divers outils de fond de sondage qui utilisent des paliers et un mouvement de rotation pour le travail dans des formations d'une réserve d'hydrocarbures. Les trépans aléseurs à molettes et les outils coniques de coupe sont deux exemples particuliers d'outils qui peuvent conte- nir l'ensemble d'étanchéité. Cet ensemble d'étanchéité est constitué d'éléments poreux ou perméables d'étanchéité qui filtrent les particules de la formation qui pourraient provoquer des perturbations, tout en permettant l'écoule- ment libre des fluides du fond de sondage dans les paliers de l'outil afin que ces paliers soient lubrifiés et refroi- dis. Les propriétés lubrifiantes des fluides de forage peuvent être utilisées en plus de la lubrification exis- tante ou comme seule source de lubrification. L'ensemble d'étanchéité comporte de façon générale deux éléments poreux ou perméables d'étanchéité, placés de part et d'autre de l'ensemble interne à palier afin que le passage de circulation de lubrifiant soit entouré. De pré- férence, les éléments d'étanchéité sont sous forme de joints toriques ayant une section rectangulaire ou circu- laire. Les joints sont destinés à se loger dans des gorges d'étanchéité formées dans l'organe fixe de montage ou dans l'organe rotatif de coupe. Ces gorges existent normalement dans de tels outils pour le logement de joints classiques de caoutchouc utilisés pour la fermeture étanche de la chambre interne de lubrification. Les éléments d'étanchéité peuvent être formés de tout matériau poreux ou perméable qui permet une limitation de la dimension des particules qui peuvent pénétrer dans l'ensemble à palier avec le fluide de forage. Des compositions préférées pour la forma- tion des éléments d'étanchéité sont une mousse réticulée ou à cellules ouvertes, une nappe de feutre, une tresse, une toile métallique tissée ou tressée, une grille en matière synthétique ou métallique laminée. Le choix du matériau dépend des matières des formations rencontrées et des con- ditions de forage. L'écoulement du fluide à travers les joints ou l'outil est facilité par la pression du fluide au fond du sondage et le mouvement d'agitation des paliers dans l'outil. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une coupe d'un outil conique de coupe comprenant l'ensemble d'étanchéité selon l'invention; la figure 2 est une coupe longitudinale d'un trépan aléseur à molettes mettant en oeuvre l'ensemble d'étan- chéité selon l'invention; et la figure 3 est une perpespective en élévation d'un élément d'étanchéité selon l'invention. Les figures 1 et 2 des dessins représentent deux exemples d'outils de forage utilisés pour la formation et l'achèvement de sondages de puits de pétrole, permettant l'utilisation de l'élément 10 d'étanchéité selon la pré- sente invention. La figure 1 représente un outil de coupe sensiblement conique 20 alors que la figure 2 représente un trépan aléseur à molettes 40. Il faut.noter que ces deux outils sont de simples exemples d'organes de forage qui peuvent contenir l'élément 10 d'étanchéité selon l'invention. Comme représenté sur la figure 3, l'ensemble d'étan- chéité selon l'invention comporte de façon générale au moins un élément 10 d'étanchéité. Cet élément 10 d'étan- chéité est sous forme d'un joint torique qui a soit une section sensiblement rectangulaire comme représenté sur la figure 3 soit une section circulaire, utilisée couramment dans le cas des organes classiques d'étanchéité. La confi- guration en coupe de l'élément 10 d'étanchéité dépend des propriétés voulues pour l'ensemble d'étanchéité ainsi que de la dimension et de la configuration de la gorge formée dans l'outil et dans laquelle est logé l'élément 10 d'étan- chéité. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément 10 d'étanchéité est fabriqué à partir d'un maté- riau poreux ou perméable qui permet l'écoulement du fluide, tout en filtrant les particules de débris des formations. De cette manière, les propriétés lubrifiantes des fluides présents en fond de sondage peuvent être utilisées pour la lubrification et le refroidissement de l'intérieur de l'ap- pareil de forage, alors que les particules dommageables ne peuvent pas pénétrer dans l'outil. Les fluides filtrés provenant du milieu de forage peuvent être utilisés en plus d'un réservoir de lubrifiant existant dans de nombreux outils, à la place du lubrifiant introduit lorsqu'il a été épuisé, ou comme seul moyen de lubrification de l'inté- rieur. L'élément 10 d'étanchéité peut être formé d'un maté- riau poreux ou perméable quelconque qui permet l'écoulement du fluide à travers lui tout en filtrant les particules. Des matériaux de densités et de porosités différentes peu- vent être utilisés en fonction des critères de filtration, tels que la viscosité du fluide, la taille et la densité des particules dans le fluide présent. Des compositions préférées de matériaux comprennent des étoffes ou des feu- tres, des mousses réticulées ou à cellules ouvertes, des toiles métalliques, des tresses et des grilles en matière synthétique ou métalliques laminées. Un exemple particulier convenant très bien est constitué par une matière plastique cellulaire souple à cellules ouvertes, réticulée thermique- ment et vendue par Scotfoam Corporation sous la marque de fabrique "SCOTFELT" sous le nom Custom Felt. Cette mousse réticulée est une mousse de polyester polyuréthane souple comprimée ayant une porosité allant de 10 pores par milli- mètre à 0,4 pore par millimètre. La porosité particulière qui est utilisée dépend des propriétés physiques du fluide présent qui doit être filtré et de la dimension de la gorge disponible pour le logement de l'élément 10 d'étanchéité. Cependant, on a obtenu d'excellents résultats avec un élé- ment 10 d'étanchéité formé d'une mousse réticulée ayant une porosité de 3,2 pores par millimètre, permettant la filtra- tion de particules jusqu'à une dimension de 35 nm. On se réfère maintenant à des applications particu- lières des éléments 10 d'étanchéité; la figure 1 repré- sente un outil de coupe sensiblement conique 20 utilisé pour l'élargissement d'un trou ou dans d'autres opérations de forage. L'outil 20 comporte de façon générale un arbre ou tige 22 sur lequel est monté coaxialement un manchon fixe 24. Cet organe fixe 24 peut comporter une chambre 26 à graisse ou de lubrification, destinée à transmettre cons- tamment un lubrifiant à l'ensemble à palier. Dans l'outil , l'ensemble à palier comprend des rouleaux 28 et des billes 30. Un organe 32 de coupe est monté de manière qu'il puisse tourner sur le manchon fixe 24, le manchon 24 et l'organe 32 coopérant à la formation entre eux d'un passage 34 de circulation d'un lubrifiant. L'ensemble à palier est disposé dans le passage 34 de lubrifiant qui communique avec la chambre à graisse 26. Ainsi, la réserve de lubri- fiant placée dans la chambre à graisse 26 est utilisée pour la lubrification et le refroidissement de l'ensemble à palier. Cependant, l'utilisation constante de l'outil 20 provoque un épuisement du lubrifiant. Des éléments 10 d'étanchéité sont placés aux extré- mités opposées du passage 34 de lubrifiant afin qu'ils permettent au fluide de forage de circuler dans l'ensemble à palier et ainsi de compléter la réserve de lubrifiant. Comme représenté sur la figure 1, deux éléments 10 d'étan- chéité ayant des diamètres différents sont disposés dans l'appareil 20 de forage. Les éléments 10 d'étanchéité se logent dans des gorges annulaires 36 formées dans l'organe rotatif 32 de coupe. Les gorges 36 peuvent aussi être formées dans le manchon fixe 24. Cependant, ces gorges sont normalement présentes dans ces outils afin qu'elles retien- nent les joints toriques classiques de caoutchouc. Ainsi, les éléments perméables 10 d'étanchéité permettent la cir- culation du fluide de forage, dans les deux sens, dans le passage 34 de lubrifiant et dans le palier. La pression du fluide en fond de sondage et le mouvement d'agitation des éléments de roulement 28 et 30 provoquent l'écoulement du fluide dans le passage 34 si bien que le lubrifiant épuisé est remplacé et que le lubrifiant restant est mélangé. Evidemment, l'ensemble d'étanchéité selon l'invention peut être utilisé comme seul dispositif de lubrification, lors- que l'incorporation d'une chambre à graisse n'est pas ren- table ou est indésirable. Dans une variante, un seul élé- ment 10 d'étanchéité peut être incorporé avec un joint classique afin que le fluide ne puisse circuler que dans un sens. Quelle que soit la configuration, les éléments 10 d'étanchéité permettent la circulation du fluide de forage dans le palier tout en séparant par filtration les parti- cules solides qui pourraient détériorer les éléments de roulement 28 et 30 et réduire la durée d'utilisation de l'outil 20. On se réfère maintenant à la figure 2; l'ensemble d'étanchéité selon l'invention peut être utilisé dans d'au- tres outils de forage, par exemple le trépan aléseur 40 à molettes. Ce trépan aléseur 40 comporte de façon générale un organe fixe ou mandrin 42 de montage et un organe rota- tif 44 de coupe monté coaxialement sur le mandrin 42. L'organe 44 de coupe est maintenu en position par des coussinets d'extrémité fixes 46. Le trépan aléseur 40 a deux éléments 10 d'étanchéité placés aux extrémités oppo- sées de l'organe 44 de coupe. Les éléments 10 d'étanchéité se logent dans des gorges annulaires 48 formées dans l'or- gane rotatif 44 et normalement utilisées pour la retenue des joints classiques. Dans une variante, les gorges annu- laires 48 peuvent être formées dans le mandrin 42 ou aux extrémités des coussinets 46. De cette manière, un passage de lubrifiant est formé entre l'organe 44 de coupe et l'organe fixe 42, et peut se prolonger afin qu'il comprenne l'espace compris entre les coussinets 46 et l'organe 44 de coupe, lorsque l'élément 10 d'étanchéité est placé entre eux. Ainsi, le fluide filtré de forage peut s'écouler dans les deux sens à travers les éléments 10 d'étanchéité vers le passage 50 de lubrifiant afin que l'usure par frottement soit réduite entre l'organe 44 et le mandrin 42. La pres- sion du fluide en fond de sondage et le mouvement d'agita- tion de l'organe rotatif 44 de coupe facilitent l'écoule- ment du fluide dans le passage 50. Ainsi, l'ensemble d'étanchéité de la présente inven- tion permet le remplacement du lubrifiant de l'appareil de forage, par circulation de fluides filtrés de forage dans le palier ou sur des surfaces coopérantes de l'outil. Dans une variante, les fluides filtrés de forage peuvent être utilisés comme seul lubrifiant des surfaces en contact. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux ensembles d'étanchéité qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble d'étanchéité pour appareil de forage d'un sondage, travaillant en présence d'un fluide de fo- rage, l'appareil de forage comprenant un palier, ledit ensemble d'étanchéité étant caractérisé en ce qu'il com- prend au moins un élément perméable (10) d'étanchéité dis- posé dans l'appareil de forage, l'élément d'étanchéité étant adapté pour permettre la circulation du fluide de forage dans l'appareil tout en séparant les particules solides du fluide de forage par filtration. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble d'étanchéité comporte deux éléments d'étanchéité (10), placés de part et d'autre du palier si bien que le fluide de forage circule à travers l'un des éléments d'étanchéité, dans le palier et à travers l'autre élément d'étanchéité. 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'appareil de forage comporte au moins une gorge annulaire (36, 48) destinée à loger un élément d'étan- chéité, l'un desdits éléments d'étanchéité étant logé dans ladite gorge annulaire de l'appareil de forage. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (10) est constitué d'un maté- riau sous forme d'une mousse réticulée destiné à permettre la circulation du fluide à travers lui tout en filtrant les particules solides du fluide de forage. 5. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (10) est formé d'un matériau constitué d'un feutre destiné à permettre la circulation du fluide tout en filtrant les particules solides du fluide de forage. 6. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (10) est formé d'un matériau à base d'un tissu métallique. 7. Ensemble d'étanchéité selon la revendication 1, destiné à un appareil de forage d'un sondage travaillant en présence d'un fluide de forage et ayant un organe fixe (24, 2 6 1 3 4 17 42) de montage et un organe (32, 44) de coupe monté afin qu'il puisse tourner par rapport à l'organe de montage, l'organe de montage et l'organe de coupe coopérant en délimitant entre eux un passage (34, 50) de lubrifiant, l'ensemble d'étanchéité étant caractérisé en ce qu'il com- porte au moins un élément perméable (10) d'étanchéité dis- posé dans le passage de lubrifiant entre l'organe de coupe et l'organe de montage de l'appareil de forage, l'élément d'étanchéité étant destiné à permettre l'écoulement du fluide de forage à travers lui, vers le passage de lubri- fiant, avec filtration des particules solides du fluide de forage circulant à travers l'élément d'étanchéité. 8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'ensemble d'étanchéité comporte deux éléments (10) d'étanchéité placés de part et d'autre du passage (34, 50) de lubrifiant, le fluide de forage pénétrant dans le pas- sage de lubrifiant à travers les éléments d'étanchéité. 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'organe fixe (24, 42) ou l'organe de coupe (32, 44) comporte au moins une gorge annulaire (36, 48) destinée à loger l'élément d'étanchéité. 10. Ensemble selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'appareil de forage comporte un palier (28, 30) disposé dans le passage (34, 50) de lubrifiant, le fluide de forage circulant à travers les éléments d'étanchéité et lubrifiant le palier. 11. Ensemble selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une réserve prédéterminée d'un lubri- fiant (26), placé dans le passage de lubrifiant, le fluide de forage étant destiné à agir en complément du lubrifiant de la réserve lors du fonctionnement de l'appareil de forage. 12. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (10) est formé d'un maté- riau poreux à cellules ouvertes. 13. Ensemble selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (10) est formé d'un maté- riau sous forme d'une mousse réticulée. 14. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (10) est formé d'un maté- riau à base d'un feutre. 15. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (10) est formé d'un tissu métallique. 16. Ensemble d'étanchéité selon la revendication 1, destiné à un appareil de forage d'un sondage travaillant en présence d'un fluide de forage et ayant un organe fixe (24, 42) de montage destiné à coopérer avec un organe rotatif (32, 44) de coupe afin qu'ils délimitent entre eux un passage (34, 50) de lubrifiant, le passage contenant un palier (28, 30), l'ensemble d'étanchéité étant caractérisé en ce qu'il comporte deux éléments perméables (10) d'étan- chéité disposés dans le passage de lubrifiant de part et d'autre du palier, les éléments d'étanchéité étant destinés à permettre la circulation du fluide de forage à travers eux vers le passage de lubrifiant afin que le palier soit lubrifié, et à séparer par filtration les particules so- lides du fluide de forage traversant les éléments d'étan- chéité. 17. Ensemble selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'organe fixe (24, 42) de montage ou l'organe (32, 44) de coupe comporte deux gorges annulaires (36, 48), chaque élément d'étanchéité étant monté dans une gorge, les éléments d'étanchéité étant au contact à la fois de l'or- gane de montage et de l'organe de coupe afin que le passage de lubrifiant soit enfermé. 18. Ensemble selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité (10) est formé d'un maté- riau à base d'une mousse réticulée. 19. Ensemble selon la revendication 18, caractérisé en ce que le matériau à base d'une mousse réticulée a une porosité comprise entre 10 pores par millimètre et 0,4 pore par millimètre.