Brevet FR2670838A1 — publié le 19920626

i La présente invention concerne les moteurs de forage destinés à des applications au fond du puits et concerne plus particulièrement, pour un tel moteur de forage, une structure de stator composite qui améliore les capacités de pompage du moteur en prévoyant un revêtement élastomère par- dessus un support ou "forme" de stator qui est rigide En variante, cet enrobage élastomère peut être appliqué sur le rotor. Les moteurs de forage de fond de puits permettent un entraîne- ment direct du trépan dans un forage dévié ou un forage profond grâce à un pompage du fluide de forage à travers le moteur La partie travaillante du moteur est constituée d'un boîtier extérieur dans lequel est monté un stator multilobé, tandis qu'un rotor multilobé est disposé à l'intérieur de ce stator Habituellement, le rotor comporte un lobe de moins que le stator de façon à faciliter la rotation de pompage Le rotor et le stator coopè- rent entre eux par des surfaces conformées en forme de lobes hélicoïdaux de façon à former une surface d'étanchéité sur laquelle le fluide de forage agit de façon à entraîner le rotor à l'intérieur du stator Dans les systèmes antérieurs, l'un des deux éléments constitués par le stator et le rotor est en un matériau élastomère de façon à assurer l'étanchéité entre eux. Dans l'agencement actuel des stators, l'élastomère est continu de la surface hélicoïdale intérieure à la surface cylindrique extérieure qui est collée au boîtier extérieur du moteur Du fait de variations exis- tant dans l'épaisseur du matériau élastomère des stators précédemment connus, la sélection des propriétés physiques de l'élastomère exige un compromis entre une valeur élevée du module, afin de préserver la forme des lobes sous les contraintes de fonctionnement, et la nécessité de réaliser une étanchéité satisfaisante entre la surface intérieure du stator et la surface extérieure du rotor Pendant que le rotor tourne et exécute un mouvement de précession à l'intérieur du stator, il se forme une étanchéité en chaque point de contact Toutefois, il est difficile de produire des pièces moulées satisfaisantes en élastomère qui soient suffisamment rigides pour empêcher une déformation de la surface du stator Dans le cas o le couple du trépan excède le couple hydraulique développé par le moteur pendant que le train de tiges de forage est entraîné en rotation, le stator tourne en survitesse par rapport au rotor, ce qui endommage l'élastomère. Par ailleurs, une épaisseur variable de l'élastomère provoque un dégagement de chaleur dans le noyau, ce qui conduit à une altération prématurée des propriétés du matériau. La présente invention remédie aux inconvénients des moteurs de forage antérieurement connus en utilisant un support ou "forme" de stator qui est rigide et sur lequel une épaisseur uniforme de matériau élastomère est moulée, ce qui améliore ainsi les propriétés drétanchéité des compo- sants, tout en assurant aussi un raidissement du stator permettant la transmission de forces accrues de torsion. Le moteur de forage conforme à la présente invention comprend un matériau élastomère, d'une épaisseur normalement uniforme, qui est moulé sur l'un des deux éléments constitués par le stator et le rotor du moteur. De cette manière, l'élastomère est soutenu par une surface rigide empêchant sa déformation et sa détérioration, ce qui rend maximal le rendement de fonctionnement Dans un mode préféré de réalisation, un support métallique de stator est disposé dans le boîtier du moteur de façon à accroître la valeur de l'effort de torsion pouvant être transmis sans cisaillement de l'élastomère, ni déformation prononcée de la forme géométrique du stator. L'élastomère est moulé directement sur le support de stator avec une épais- seur uniforme L'épaisseur de l'élastomère peut varier en fonction de l'application En outre, l'espace situé entre le support de stator et le boîtier extérieur peut être rempli d'un autre élastomère ou d'une résine assurant un soutien. Dans le cas du rotor, l'élastomère est, là encore, moulé sur la surface du rotor avec une épaisseur approximativement uniforme de façon à coopérer avec un stator métallique De même que dans le cas du stator, l'élastomère peut être supporté par les lobes conformés du noyau métallique du rotor de façon à améliorer le fonctionnement L'élastomère peut être moulé ou extrudé par-dessus le rotor On peut aussi envisager que des rotors anciens puissent être réparés en appliquant une mince couche d'élas- tomère, ce qui élimine ainsi tout défaut de conformité. Dans une variante de réalisation, le rotor ou stator revêtu d'élastomère peut être utilisé dans une pompe de distribution de fluides, telle qu'une pompe d'assèchement Le rotor serait entraîné mécaniquement à l'intérieur du stator de façon à pomper le fluide à travers la chambre Là encore, le revêtement d'élastomère disposé sur le rotor ou le stator amé- liorerait le contact d'étanchéité, tandis que le support rigide offert à cet élastomère améliorerait la résistance des lobes au cisaillement. L'invention a pour objet un moteur de forage de fond de puits, permettant d'entraîner des outils de forage, ce moteur de forage compre- nant: un boîtier comportant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie par lesquelles un fluide de forage est pompé en vue d'actionner le moteur de forage, un stator composite disposé à l'intérieur de ce boîtier et comportant une entrée et une sortie communiquant avec lesdites extrémités d'entrée et de sortie du boîtier, ce stator comprenant un support rigide de stator ayant une configuration hélicoïdale et un matériau élastomère appli- qué sur une surface intérieure de ce support de stator de façon à former une surface intérieure d'étanchéité pour ce stator composite, et un rotor hélicoïdal disposé dans ce stator composite de façon à pouvoir y tourner, ce rotor venant en contact d'étanchéité avec la surface élastomère de la structure de stator, de façon à former au moins un espace de travail de fluide à travers lequel du fluide de forage est pompé de manière à entraîner le rotor en rotation à l'intérieur du stator composite, provoquant ainsi un entraînement de l'outil de forage. L'invention a aussi pour objet un moteur de forage de fond de puits, permettant d'entraîner des outils de forage, ce moteur de forage comprenant: un boîtier comportant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie par lesquelles un fluide de forage est pompé en vue d'actionner le moteur de forage, un support rigide de stator ayant une configuration hélicoïdale comportant une surface intérieure hélicoïdale, ce support de stator étant fixé à l'intérieur du boîtier, de sorte que du fluide de forage est pompé à travers ce support de stator, et un rotor comportant une surface extérieure hélicoïdale et disposé dans le support de stator de façon à pouvoir y tourner pendant que du fluide de forage traverse le boîtier en entraînant l'outil de forage, une épaisseur uniforme de matériau élastomère étant appliquée sur l'une des surfaces constituées par la surface intérieure hélicoïdale du support de stator et la surface extérieure hélicoïdale du rotor de façon à venir en contact d'étanchéité avec l'autre de ces surfaces constituées par la surface intérieure hélicoïdale du support de stator et la surface exté- rieure hélicoïdale du rotor, ce contact d'étanchéité formant au moins un espace de travail de fluide à travers lequel du fluide de forage est pompé de façon à entraîner le rotor en rotation à l'intérieur du support de stator, provoquant ainsi un entraînement de l'outil de forage. L'invention a encore pour objet, dans un moteur de forage de fond de puits permettant d'entraîner des outils de forage, du type comprenant un boîtier comportant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie par lesquelles un fluide de forage est pompé en vue d'actionner le moteur de forage, un support rigide de stator ayant une configuration hélicoïdale, comportant une surface intérieure hélicoïdale, ce support de stator étant fixé à l'intérieur du boîtier, de sorte que du fluide de forage est pompé à travers ce support de stator, et un rotor hélicoïdal disposé dans le support de stator de façon à pouvoir y tourner, ce rotor comportant une surface hélicoïdale extérieure, le perfectionnement étant caractérisé par le fait que un matériau élastomère est appliqué sur l'une des surfaces cons- tituées par la surface intérieure hélicoïdale du support de stator et la surface extérieure hélicoïdale du rotor, de telle façon qu'un contact d'étanchéité soit réalisé entre la surface d'élastomère et l'autre des surfaces du support de stator et du rotor, en créant au moins un espace de travail de fluide à travers lequel du fluide de forage est pompé de façon à entraîner le rotor en rotation à l'intérieur du boîtier, provoquant ainsi un entraînement de l'outil de forage, le matériau élastomère ayant une épaisseur pratiquement uniforme de façon à former une surface hélicoïdale d'étanchéité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tiront de la description qui va suivre, à titre d'exemples non limitatifs et en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un moteur de forage comportant une structure de stator composite conforme à la présente invention et la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de réalisation du moteur de forage, représentant un rotor à revêtement élasto- mère. Si on se reporte à la figure 1 des dessins, il y est représenté une coupe transversale de la section d'entraînement 12 d'un moteur 10 de forage de fond de puits Dans un mode préféré de réalisation de l'inven- tion, ce moteur 10 est un ensemble multilobé utilisé pour entraîner des outils de forage, et analogues, grâce au pompage de fluide de forage à travers la section d'entraînement 12 de ce moteur 10 De tels moteurs 10 de forage de fond de puits sont couramment utilisés pour assurer un entraîne- ment direct d'outils de forage dans des opérations de forage dévié et de forage horizontal Le moteur 10 de fond de puits, du type à fonctionnement volumétrique, conforme à la présente invention est apte à produire un couple élevé à de faibles vitesses de rotation sans déformer la forme géo- métrique de l'entraînement stator/rotor 12 Ainsi qu'il est courant pour de tels moteurs 10, cet entraînement stator/rotor 12 convertit l'énergie hydraulique du fluide de forage en un mouvement de rotation et de préces- sion permettant de faire tourner le trépan de forage. La section d'entraînement 12 du moteur 10 comprend un boîtier extérieur 14 à l'intérieur duquel est disposé un support de stator 16, ou "forme" de stator, qui est rigide Ce support de stator 16 a une configu- ration hélicoïdale multilobée A la différence des structures de stator antérieurement connues qui sont formées entièrement d'un élastomère, le support de stator 16 de la présente invention est formé d'un matériau rigide, par exemple un métal, afin de présenter une meilleure résistance mécanique Ce support rigide de stator 16 a une épaisseur uniforme créant des espaces hélicoïdaux 18 entre le boîtier 14 et le support de stator 16. Dans un mode donné de réalisation de la présente invention, ces espaces hélicoïdaux 18 peuvent être remplis d'un élastomère ou d'une autre résine afin de fournir un supplément de soutien au support de stator 16 Ce dernier est immobilisé dans le boîtier 14 de façon telle que le fluide de forage s'écoule à travers ce support de stator 16. Un rotor hélicoïdal multilobé 20 est disposé à l'intérieur du support de stator 16 de façon pouvoir y tourner lorsque du fluide de forage est pompé à travers ce support de stator 16 en vue d'entraîner le trépan de forage Ce rotor 20 comporte un lobe de moins que le support de stator 16 de façon à permettre une rotation et une précession du rotor 20 à l'intérieur du moteur 10 De même que le support de stator 16, le rotor 20 est usiné dans du métal de façon à présenter la configuration hélicoïdale multilobée. En vue de former le joint d'étanchéité nécessaire entre le stator et le rotor afin de créer les chambres d'écoulement à travers les- quelles le fluide de forage est pompé de façon à entraîner le rotor 20, soit le support de stator 16, soit le rotor 20 doit comporter une couche élastomère assurant une coopération étanche entre ces derniers Dans un premier mode de réalisation, une surface intérieure 22 du support de stator 16 est pourvue d'un matériau élastomère 24 d'une épaisseur normalement uni- forme qui vient en contact étanche avec le rotor 20 lorsque ce dernier y tourne A la différence des stators élastomères de la technique antérieure, dans lesquels lrépaisseur de l'élastomère varie en fonction de la forme géométrique du stator, l'épaisseur uniforme de la couche élastomère 24 portée par le support métallique de stator 16 assure une dissipation thermique plus importante Le support de stator 16 soutient aussi la couche élastomère 24, ce qui autorise l'utilisation d'un élastomère plus souple permettant une étanchéité améliorée avec le rotor 20 Toutefois, la rigidité du support de stator 16 maintient la forme des lobes du stator, ce qui permet qu'une force de torsion d'une intensité plus grande puisse être transmise sans cisaillement des lobes 26, ni déformation prononcée de la forme géométrique intérieure IL en résulte que le stator composite ne peut pas se déformer suffisamment pour permettre au rotor 20 de se déplacer en survitesse par rapport aux lobes 26 dans les cas o le couple du trépan excède le couple hydraulique fourni par le moteur 10 alors que le train de tiges de forage est entraîné en rotation. Dans une variante de réalisation, au lieu d'appliquer le maté- riau élastomère sur le support de stator 16, l'élastomère est appliqué sur la surface hélicoïdale extérieure 28 du rotor 20, ainsi que cela est repré- senté à la figure 2 Là encore, il se forme un contact d'étanchéité entre le rotor 20 et le stator 16 lorsque le rotor 20 tourne à l'intérieur du moteur 10 La forme géométrique lobée du moteur 20 assure un soutien de l'élastomère qui en empêche la déformation L'application de l'élastomère sur le rotor 20 peut être utilisée pour rénover des rotors usés ou endom- magés, grâce à l'application d'une mince couche uniforme d'élastomère. Il peut être envisagé que l'élastomère soit appliqué sur le rotor 20 ou sur le support de stator 16 de nombreuses manières différentes, parmi lesquelles l'extrusion de l'élastomère directement sur la surface métallique ou le façonnage d'un fourreau d'élastomère que l'on colle sur la surface particulière considérée D'autres méthodes d'application peuvent convenir pour fournir un élastomère d'une épaisseur uniforme. Conformément à la présente invention, il peut être envisagé que la structure composite du rotor ou du stator puisse être utilisée dans des moteurs et des pompes de forage permettant de refouler des fluides Dans une pompe, ce serait soit le stator, soit le rotor qui pourrait constituer l'élément mené délimitant la chambre de pompage de fluide L'élastomère appliqué sur le support rigide de stator ou le rotor assure une étanchéité et une action de pompage qui sont améliorées, tandis que la rigidité des composants autorise des couples plus élevés permettant un débit accru de fluide. La description détaillée qui précède n'a été faite qu'à titre illustratif, et non pas limitatif, des variantes évidentes aux spécialistes en la matière et non inutiles pouvant y être apportées sans sortir du cadre des revendications annexées. REVENDICATIONS 1 Moteur de forage de fond de puits, permettant d'entraîner des outils de forage, ce moteur de forage étant caractérisé en ce qu'il comprend: un boîtier ( 12) comportant une extrémité d'entrée et une extré- mité de sortie par lesquelles un fluide de forage est pompé en vue d'ac- tionner le moteur de forage, un stator composite ( 16,24) disposé à l'intérieur de ce bottier ( 12) et comportant une entrée et une sortie communiquant avec lesdites O extrémités d'entrée et de sortie du boîtier ( 12), ce stator ( 16,24) compre- nant un support rigide de stator ( 16) ayant une configuration hélicoïdale et un matériau élastomère ( 24) appliqué sur une surface intérieure de ce support de stator ( 16) de façon à former une surface intérieure d'étan- chéité pour ce stator composite, et un rotor hélicoïdal ( 20) disposé dans ce stator composite ( 16, 24) de façon à pouvoir y tourner, ce rotor ( 20) venant en contact d'étan- chéité avec la surface élastomère de la structure de stator ( 16,24), de façon à former au moins un espace de travail de fluide à travers lequel du fluide de forage est pompé de manière à entraîner le rotor ( 20) en rotation à l'intérieur du stator composite ( 16,24), provoquant ainsi un entraînement de l'outil de forage. 2 Moteur de forage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau élastomère ( 24) est appliqué sur la surface intérieure ( 22) du support de stator ( 16) avec une épaisseur qui est uniforme sur toute l'étendue de cette surface intérieure ( 22), le support de stator ( 16) offrant un soutien rigide à cette couche élastomère ( 24). 3 Moteur de forage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs espaces hélicoïdaux ( 18) sont formés entre le support de stator ( 16) et le boîtier ( 12). 4 Moteur de forage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les espaces hélicoïdaux ( 18) situés entre le support de stator ( 16) et le boîtier ( 12) sont remplis d'un matériau élastomère fournissant un supplément de soutien au stator composite. Moteur de forage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la couche élastomère uniforme ( 24) est réalisée sous la forme d'un fourreau hélicoïdal monté sur la surface intérieure du support de stator ( 16). 6 Moteur de forage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la couche élastomère uniforme ( 24) est extrudée sur la surface intérieure du support de stator ( 16). 7 Moteur de forage de fond de puits, permettant d'entraîner des outils de forage, ce moteur de forage étant caractérisé en ce qu'il com- prend: un boîtier ( 12) comportant une extrémité d'entrée et une extré- mité de sortie par lesquelles un fluide de forage est pompé en vue d'ac- tionner le moteur de forage, un support rigide de stator ( 16) ayant une configuration héli- coïdale comportant une surface intérieure hélicoïdale ( 12), ce support de stator ( 16) étant fixé à l'intérieur du boîtier ( 12), de sorte que du fluide de forage est pompé à travers ce support de stator ( 16), et un rotor ( 20) comportant une surface extérieure hélicoïdale et disposé dans le support de stator ( 16) de façon à pouvoir y tourner pendant que du fluide de forage traverse le boîtier ( 12) en entraînant l'outil de forage, une épaisseur uniforme de matériau élastomère étant appliquée sur l'une des surfaces constituées par la surface intérieure hélicoïdale ( 22) du support de stator ( 16) et la surface extérieure hélicoïdale ( 28) du rotor ( 20) de façon à venir en contact d'étanchéité avec l'autre de ces surfaces constituées par la surface intérieure hélicoïdale ( 22) du support de stator ( 16) et la surface extérieure hélicoïdale ( 28) du rotor ( 20), ce contact d'étanchéité formant au moins un espace de travail de fluide à travers lequel du fluide de forage est pompé de façon à entraîner le rotor ( 20) en rotation à l'intérieur du support de stator, provoquant ainsi un entraînement de l'outil de forage. 8 Moteur de forage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau élastomère forme un fourreau hélicoïdal rendu solidaire de l'une des surfaces constituées par la surface intérieure hélicoïdale ( 22) du support de stator ( 16) et la surface extérieure hélicoïdale ( 28) du rotor ( 20). 9 Moteur de forage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau élastomère ( 24) est extrudé sur l'une des surfaces constituées par la surface intérieure hélicoïdale ( 22) du support de stator ( 16) et la surface extérieure hélicoïdale ( 28) du rotor ( 20). 10 Moteur de forage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que plusieurs espaces hélicoïdaux ( 18) sont formés entre le support de stator ( 16) et le boîtier ( 12), ces espaces hélicoïdaux étant remplis d'un matériau élastomère fournissant un soutien au support de stator. 11 Dans un moteur de forage de fond de puits, permettant d'entraîner des outils de forage, du type comprenant un boîtier ( 12) comportant une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie par lesquelles un fluide de forage est pompé en vue d'actionner le moteur de forage, un support rigide de stator ayant une configuration hélicoïdale comportant une surface intérieure hélicoïdale ( 22), ce support de stator ( 16) étant fixé à l'intérieur du boîtier ( 12), de sorte que du fluide de forage est pompé à travers ce support de stator ( 16), et un rotor hélicoïdal ( 20) disposé dans le support de stator ( 16) de façon à pouvoir y tourner ce rotor ( 20) comportant une surface hélicoïdale extérieure ( 28), le perfectionnement étant caractérisé par le fait que: un matériau élastomère ( 24) qui est appliqué sur l'une des surfaces constituées par la surface intérieure hélicoïdale ( 22) du support de stator ( 16) et la surface extérieure hélicoïdale ( 28) du rotor ( 20), de telle façon qu'un contact d'étanchéité soit réalisé entre la surface d'élastomère ( 24) et l'autre des surfaces du support de stator ( 16) et du rotor ( 20) au moins un espace de travail de fluide à travers lequel du fluide de forage est pompé de façon à entraîner le rotor ( 20) en rotation à l'intérieur du boîtier, provoquant ainsi un entraînement de l'outil de forage, le matériau élastomère ( 24) ayant une épaisseur pratiquement uni- forme de façon à former une surface hélicoïdale d'étanchéité. 12 Moteur de forage suivant la revendication 11, caractérisé en ce que plusieurs espaces hélicoïdaux ( 18) sont formés entre le support de stator ( 16) et le boîtier ( 12), ces espaces hélicoïdaux étant remplis d'une résine élastomère assurant un supplément de soutien au support de stator ( 16). 13 Moteur de forage suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le matériau élastomère forme un fourreau hélicoïdal rendu solidaire de l'une des surfaces constituées par la surface intérieure hélicoïdale ( 22) du support de stator ( 16) et la surface extérieure hélicoïdale ( 28) du rotor ( 20).