Brevet FR2656045A1 — publié le 19910621

La présente invention concerne le matériel de forage et a notamment pour objet un appareil de percussion hydraulique destiné à transformer l'énergie de l'écoulement d'un fluide moteur, par exemple de la boue de forage, ou de l'eau, en une impulsion de choc mécanique agissant sur un outil d'attaque descendu dans le trou à forer. L'invention peut être utilisée surtout dans le briment, l'industrie d'extraction du pétrole, du gaz et de l'eau, dans la prospection géologique et dans d'autres secteurs, en vue d'intensitier le forage de puits. On connais un appareil de percussion hydraulique à action directe (SU,A,1020561), comprenant un corps en plusieurs pièces dont les sections sont réunies par un cylindre adaptateur central à l'aide d'un assemblage fileté. A la section inférieure du corps en plusieurs pièces est jointe une enclume se composant d'une tige cannelée avec un ajutage amovible, d'un cylindre cannelé et d'un adaptateur inférieur auquel est joint l'outil d'attaque. Le corps de l'appareil de percussion hydraulique renferme un piston percuteur à ressort pouvant se déplacer dans le sens axial et qui est en interaction avec l'enclume par l'intermédiaire du ressort et des surfaces de choc des ajutages amovibles. Dans la section supérieure du corps en plusieurs pièces, au-dessus du cylindre adaptateur, se trouve une soupape ayant la forme d'une soupape métallique à plateau dotée d'un ressort et actionnée par la face supérieure du piston percuteur. L'inconvénient de cet appareil de percussion hydraulique est que les surfaces métalliques d'usure en contact de la soupape et du piston percuteur sont toujours les mêmes. En outre, il est impossible de réaliser ces surfaces métalliques en un matériau résistant à l'usure, étant donné les grandes contraintes dynamiques dans la zone de contact entre la soupape et le piston percuteur et la fragilité des matériaux résistant à l'usure à base d'acier et d'alliages. On connait également un appareil de percussion hydraulique pur le forage de puits (SU, A, 775290) comprenant un corps en plusieurs pièces dont les sections sont réunies par un cylindre adaptateur central à l'aide d'assemblages filetés. A la partie inférieure du corps est jointe une enclume se composant d'une tige cannelée portant un ajutage de rechange, d'un cylindre cannelé et d'un adaptateur inférieur auquel est joint l'outil d'attaque. Le corps de l'appareil de percussion hydraulique renferme un piston percuteur à ressort pouvant se déplacer en sens axial et qui est en interaction avec l'enclume par l'intermédiaire du ressort et des surfaces de choc des ajutages amovibles.Dans la partie supérieure du corps, au-dessus du cylindre adaptateur central, se trouve une soupape reliée au corps par un ressort et dotée d'une douille de butée et d'un élément de fermeture en un matériau élastique. Cet élément de fermeture est sphérique. I1 est placé dans une douille de butée de configuration conique. L'extrémité de travail de la douille de butée est orientée contre le sens de l'écoulement du fluide moteur qui contourne de manière symétrique l'élément de fermeture et passe à travers les canaux prévus dans la douille de butée. L'inconvénient de cet appareil de percussion hydraulique est que, lorsque le forage se fait à l'aide de fluides abrasifs de circulation, l'élément de fermeture de la soupape est d'une courte durée de vie par suite de son usure rapide et inégale et que la coupure de l'écoulement est incomplète, de sorte qu'il peut se produire des fuites entre l'élément de fermeture sphérique et la face du piston percuteur. Cela s'explique par le fait que, lorsque la douille de butée à ressort revient et s'arrête avec l'élément sphérique de fermeture, l'écoulement du fluide contourne celui-ci de manière uniforme et le serre contre la surface intérieure de la douille conique.Il en résulte qu'il n'existe pas de forces susceptibles de faire tourner l'élément de fermeture sphérique, que du sable s'accumule dans la zone de contact entre cet élément et le bord de la douille de butée et que l'élement de fermeture sphérique ne peut tourner, ce qui provoque son usure unilatérale. On s'est donc proposé de créer un appareil de percussion hydraulique doté d'une soupape qui permettrait d'obtenir une action asymétrique du fluide moteur sur la surace de l'élément de fermeture grâce à la séparation de l'écoulement du fluide moteur en plusieurs jets qui agiraient sur la surface de l'élément de fermeture et seraient asymétriques par rapport à l'axe longitudinal du corps et donc au sens du mouvement de va-et-vient de l'élément de fermeture. Ce problème est résolu grâce à un appareil de percussion hydraulique transformant l'énergie de l'écoulement d'un fluide moteur en une impulsion de choc mécanique agissant sur un outil d'attaque, comprenant un corps dans lequel sont disposés coaxialement par rapport à son axe longitudinal, une enclume, un piston percuteur relié à l'enclume par un ressort et une soupape reliée au corps par un ressort et dont l'élément sphérique de fermeture entrant périodiquement en contact avec le piston percuteur pour former une impulsion de choc mécanique est placé dans une douille de butée dont l'extrémité de travail est tournée contre le sens de l'écoulement du fluide moteur et dont la surfce intérieure est conique, dans lequel, selon l'invention, la douille de butée de la soupape présente des bossages disposés à son extrémité de travail, de manière diamétralement opposée, deux par deux, par rapport à l'axe longitudinal du corps et chacun présente une surface latérale de travail en contact avec l'élément sphérique de fermeture, qui est au moins partiellement plane, ces parties planes des surfaces latérales de travail des bossages diamétralement opposés se trouvant dans des plans qui se coupent de manière à diviser l'écoulement du fluide moteur en jets séparés. I1 est raisonnable que, dans l'appareil de percussion hydraulique selon l'invention, les plans comprenant les parties latérales plates des bossages diamétralement opposés soient symétriques par rapport à l'axe longitudinal du corps. I1 est admissible que, dans l'appareil de percussion hydraulique selon l'invention, les plans comprenant les parties latérales plates des bossages diamétralement opposés soient symétriques par rapport au plan de symétrie comprenant l'axe longitudinal du corps. Il est également avantageux que, dans l'appareil de percussion hydraulique selon l'invention, la surface intérieure conique de la douille soit dotée de rainures disposées de manière asymétrique par rapport à l'axe longitudinal du corps et servant à diriger les jets de fluide vers l'élément sphérique de fermeture. Ce mode de réalisation de la soupape permet d'augmenter la durée de vie aussi bien de l'élément sphérique de fermeture que du piston percuteur grâce à une meilleure résistance à l'usure du fait que l'élément sphérique de fermeture entre en contact avec la face du piston percuteur par ses différentes parties par suite d'un effet hydraulique asymétrique exercé à sa surface par l'écoulement du fluide moteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un exemple non limitatif de sa réalisation et en se référant aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente l'appareil de percussion hydraulique, en coupe longitudinale, selon l'invention; - la figure 2 représente la douille de butée de la soupape de l'appareil de percussion hydraulique, en isométrie, selon l'invention; - la figure 3 est la coupe III-III de la figure 1, selon l'invention; - la figure 4 est la coupe IV-IV de la figure 1, selon l'invention; et - la figure 5 est la coupe V-V de la figure 3, selon l'invention. L'appareil de percussion hydraulique pour la transformation de l'énergie de l'écoulement d'un fluide moteur en une impulsion mécanique de choc agissant sur un outil d'attaque comprend un corps 1 (figure 1) disposé verticalement, dans le cas envisagé, et se composant d'une section inférieure 2 et d'une section supérieure 3 réunies par un cylindre adaptateur central 4. A la section inférieure 2 est jointe une enclume 5 comprenant une tige cannelée 6 portant un ajutage de réchauffe 7, un cylindre cannelé 8 et un adaptateur inférieur 9 servant à joindre un outil d'attaque (non représente sur la figure). Le corps 1 renferme, disposé de manière à pouvoir se déplacer dans le sens axial par rapport au corps 1 et relié à l'enclume 5 par un ressort, un piston percuteur 10 agissant sur l'enclume 5 par l'intermédiaire d'un ressort 11 et des surfaces s'entrechoquant des ajutages de rechange 7.La section supérieure 3 du corps 1 en plusieurs pièces renferme, au-dessus du cylindre adaptateur central 4 et reposant sur le ressort 12, lequel est disposé dans un limiteur de course 13 d'une soupape 14, la douille de butée 15 de la soupape 14 dotée d'un élément sphérique de fermeture 16 périodiquement actionnée par l'extrémité 17 du piston percuteur 10 pour former une impulsion mécanique de choc. L'étanchéité du piston percuteur 10 dans le cylindre adaptateur central 4 est obtenue à l'aide d'un élément d'étanchéité 18. Pour régler la course libre du piston percuteur 10, sont prévues des rondelles de réglage 19 interposées entre le limiteur 13 de la course de la soupape 14 et le bord du cylindre adaptateur central 4. A la section supérieure 3 du corps 1 est joint une adaptateur 19' servant à relier l'appareil aux tiges de forage (non représentées sur la figure). La soupape 14 comprend la douille du butée 15 présentant une surface intérieure conique 20 qui est en contact avec l'élément sphérique de fermeture 16. A l'extrémité supérieure de travail de la douille de butée 15, tournée face à l'écoulement du fluide moteur, sont prévus des bossages 21 qui sont, par exemple, verticaux, comme dans le mode de réalisation envisagé. Ces bossages 21 ont pour fonction de diviser l'écoulement total du fluide moteur en plusieurs jets. Les bossages 21 sont deux par deux diamétralement opposés autour de l'axe longitudinal 22 du corps en plusieurs pièces et la surface périphérique latérale de chaque bossage 21 épouse la surface intérieure de la section 3.Chaque bossage 21 présente également une surface latérale de travail tournée vers l'élément sphérique de fermeture 16 et qui est en contact avec celui-ci; au moins une partie de la surface de travail est plate (en rampe) et les parties plates 23 de surfaces latérales de travail des bossages 21 diamétralement opposés sont disposées dans des plans "p" et "h" (figures 2,3) qui se coupent. Dans ce cas, les parties plates 23 peuvent être inclinées par rapport à l'axe 22. Le fait de prévoir les parties plates 23 sur les surfaces latérales de travail des bossages 21 permet d'obtenir une répartition asymétrique des jets de fluide, ce qui a pour effet de déplacer l'élément sphérique de fermeture 16 par rapport à l'axe 22 du corps 1. Les plans "p" et "h" dans lesquels se trouvent les parties plates 23 des surfaces latérales de travail peuvent être parallèles à l'axe longitudinal 22 du corps 1: dans ce cas, les parties plates 23 seront strictement verticales. Ce mode de réalisation est représenté sur la figure 3. On voit également, sur la figure 3, que les plans "p" et "h" sont symétriques par rapport au plan "d" de symétrie comprenant l'axe longitudinal 22 du corps 1. Ce mode de réalisation présente le plus d'avantages au point de vue de la fabrication. I1 se forme alors des faces 24 (figure 2) de contact des bossages 21 avec l'élément de fermeture sphérique 16 et le flux total de fluide moteur s'écoulant sur l'élément de fermeture sphérique 16 est divisé par les bossages 21 en jets passant par des cavités 25 communiquant avec des canaux d'écoulement 25' pratiqués dans la partie périphérique de la douille de butée 15. A la surface intérieure conique 20 (figure 1) de la douille de butée 15 sont pratiquées des rainures 26 (figures 2, 3, 4) disposées de manière asymétrique par rapport à l'axe longitudinal 22 du corps 1 ( par exemple, toutes les rainures 26 n'occupent qu'une moitié de la surface intérieure conique 20 (figure 1) de la douille de butée 15). Les rainues 26 (figures 2, 3, 4) peuvent être réalisées de manière que leurs axes longitudinaux "f" se coupent en un point se trouvant sur l'axe longitudinal 22 du corps 1, comme le montre la figure 3, on bien de manière que leurs axes longitudinaux "f" ne se coupent pas en un point se trouvant sur l'axe longitudinal 22 du corps 1 (figure 4), ce qui augmente l'asymétrie.Dans les deux cas, le fait de prévoir les rainures 26 contribue à ce que le flux total du fluide moteur soit divisé en jets agissant sur l'élément sphérique de fermeture 16 d'en bas et en sens latéral. La figure 5 représente de façon plus claire les rainures 26 et les canaux de contournement 27 pour le passage des flux en jet entre les bossages 21. Le fonctionnement de l'appareil de percussion hydraulique est le suivant. Lorsque l'appareil de percussion hydraulique est descendu au fond du puits foré, l'extrémité 17 (figure 1) du piston percuteur 10 rentre à l'intérieur de la douille de butée 15 à la surface intérieure conique 20 et vient en contact avec l'élément de fermeture sphérique 16 serré contre la surface intérieure conique 20 de la douille de butée 15 par le flux de fluide moteur. Sous l'effet du coup de bélier provoqué par la coupure de l'écoulement, le piston percuteur 10 et la soupape 14 descendent à une vitesse croissante, en comprimant les ressorts 11, 12, Lorsque le ressort 12 se trouver comprimé d'une course égale à la course prévue de travail, la soupape 14 s'arrête, venant porter par la douille de butée 15 sur le limiteur 13 et ouvrant le passage libre du fluide moteur vers le fond du puits. Pendant ce temps, le piston percuteur 10 continue à descendre par inertie et porte un coup sur l'ajutage 7 de l'enclume 5 reliée à l'outil d'attaque. Repoussés par le ressort 12, la douille de butée 15 et l'élément sphérique de fermeture commencent à remonter à une vitesse croissante. Lorsque la douille de butée 15 s'arrête, l'élément sphérique de fermeture 16 quitte la surface intérieure conique 20 de la douille de butée 15 grâce au fait que celle-ci présente, à son extrémité de travail, des bossages 21 diamétralement opposés dotés des parties plates 23, orientés dans des sens opposés par rapport à l'axe longitudinal 22, de sorte que l'élément sphérique de fermeture 16 peut se déplacer par rapport à l'axe longitudinal 22, en effectuant en même temps un mouvement de rotation sous l'effet du flux en jet du fluide moteur et des forces de frottement excentriques sur les faces 24 de contact des surfaces latérales de travail.L'élément sphérique de fermeture 16 en contact avec la surface intérieure conique 20 de la douille de butée 15 reçoit un mouvement supplémentaire de rotation provoqué par les flux en jet du fluide moteur passant par les rainures 26 (figures 3, 4) qui sont asymétriques entre elles. Après avoir porté le coup, le piston percuteur 10 (figure 10) revient à sa position initiale, de sorte qu'une nouvelle portion de la surface de l'élément sphérique de fermeture 16 entre en contact avec la surface de l'extrémité 17 du piston percuteur 10, et le cycle se répète. C'est ainsi qu'on obtient, dans l'appareil de percussion hydraulique selon l'invention, une rotation chaotique de l'élément sphérique de fermeture 16 provoquée par des forces tangentielles à sa surface, engendrées par des flux en jet à effet asymétrique. Cette rotation de l'élément sphérique de fermeture 16 provoquée par les forces tangentielles a pour conséquence que sa surface de contact avec l'extrémité 17 du piston percuteur 10 change incessemment, ce qui permet d'obtenir une usure uniforme tant de l'élément sphérique de fermeture 16 que de l'extrémité 17 du piston percuteur 10. Il en résulte une meilleure sécurité de fonctionnement de l'appareil de percussion hydraulique et une augmentation de sa durée de vie grâce à une coupure plus complète du flux de fluide moteur et donc à un coup de bélier plus complet. REVENDICATIONS 1. Appareil de percussion hydraulique pour la transformation de l'énergie de l'écoulement d'un fluide moteur en une impulsion mécanique de choc agissant sur un outil d'attaque, du type comprenant un corps renfermant, coaxialement par rapport à son axe longitudinal, une enclume, un piston percuteur relié à l'enclume par un ressort et une soupape reliée par un ressort au corps et dont l'élément sphérique de fermeture, entrant périodiquement en contact avec le piston percuteur pour former une impulsion mécanique de choc, est placé dans une douille de butée dont l'extrémité de travail est tournée contre le sens de l'écoulement de fluide moteur et qui est dotée d'une surface intérieure conique, caractérisé en ce que la douille de butée (15) de la soupape (14) est dotée de bossages (21) disposés à son extrémité de travail et diamétralement opposés, deux par deux, par rapport à l'axe longitudinal du corps et dont chacun présente une surface latérale de travail en contact avec l'élément sphérique de fermeture (16) et dont une partie au moins est plate, ces parties plates (23) des surfaces latérales de travail des bossages (21) diamétralement opposés se trouvant dans des plans qui se coupent, pour diviser en jets l'écoulement de fluide moteur. 2. Appareil de percussion hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plans (p, h) comprenant les parties plates (23) précitées sont parallèles à l'axe longitudinal (22) du corps (1). 3. Appareil de percussion hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plans (p, h) comprenant les parties plates (23) précitées sont symétriques par rapport au plan (d) de symétrie comprenant l'axe longitudinal (22) du corps (1). 4. Appareil de percussion hydraulique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'à la surface intérieure conique (20) de la douille de butée (15) sont pratiquées des rainures (26) disposées de manière asymétrique par rapport à l'axe longitudinal (22) du corps (1) et servant à diriger les flux en jet vers l'élément sphérique de fermeture.