Brevet FR2675197A1 — publié le 19921016

L'objet de l'invention est un appareil de forage pétrolier, gazier ou géothermique, comportant un outil central et un trépan coaxiaux, dans lequel l'outil central est entraîné par le rotor d'un moteur de fond alimenté par la boue de forage et dans lequel le trépan est entraîné, depuis la surface, par les tiges d'un train de forage appartenant à un système rotary, ces mêmes tiges soumettant l'appareil à un effort axial. On connaît (US-A-4.862.974) un appareil répondant à cette définition ; dans un tel appareil, l'action combinée des deux outils vise à utiliser l'énergie contenue dans la boue pour accroître l'énergie globale du forage, ce qui devient nécessaire pour garder une vitesse d'avance suffisante quand le diamètre du puits devient important. Un autre intérêt possible de cette organisation est de permettre à l'outil central de tourner à une vitesse angulaire plus élevée que le trépan, et de réaliser ainsi des vitesses linéaires de coupe plus uniformes sur la majeure partie du diamètre du puits foré. Dans l'appareil de forage décrit par le brevet (US-A-4.862.974), l'appareil de forage solidarise complètement l'embase du trépan et le stator du moteur de fond. Dans ces conditions, la a répartition de puissance est optimale dans le seul cas où le terrain foré et les conditions de coupe imposées aux deux outils sont tels que les vitesses d'avance qui seraient prises par chacun d'eux seraient identiques s'ils agissaient séparément. Tout écart par rapport à cette situation idéale se manifeste par une médiocre répartition instantanée de la puissance et une concrétisation problématique des avantages espérés. L'un des résultats visés par l'invention est de remédier à cet inconvénient. Entre le stator du moteur de fond et l'embase du trépan, l'appareil de forage objet de l'invention comprend une liaison prismatique de manière à permettre la translation relative des deux outils selon leur axe commun. Pour contrôler automatiquement ce déplacement axial relatif, un moyen quelconque comportant une élasticité, et que nous appellerons ressort, est interposé entre le stator du moteur de fond et l'embase du trépan de manière que le stator contraigne ce ressort quand l'outil central tend à prendre du retard par rapport au trépan dans leurs mouvements d'avance respectifs. Pour parfaire l'efficacité du système ainsi conçu, le stator du moteur de fond et l'embase du trépan présentent des formes délimitant entre elles un orifice dont la section est fonction de leurs positions relatives, permettant la déviation d'une part variable du débit de boue, qui évite ainsi l'orifice d'admission du moteur du fond. L'appareil de forage modifie l'orifice de déviation de manière à accroître le débit admis dans le moteur quand le déplacement axial relatif du stator se fait dans le sens où il tend à contraindre le ressort et réciproquement. Enfin, pour éviter que le moteur de fond puisse fonctionner en pompe si, pour quelque raison que ce soit, la vitesse de rotation de l'outil central venait à tomber en dessous de celle du trépan, une roue libre peut être interposée entre l'embase de l'outil central et le trépan. Cette roue libre est évidemment d'un type qui la rend impuissante à s'opposer au déplacement axial relatif des deux outils et elle est montée de manière à se verrouiller quand la vitesse de rotation absolue de l'outil central tend à devenir inférieure à celle du trépan. Les avantages de l'appareil de forage objet de l'invention sont les suivants : - il impose aux deux outils une vitesse d'avance égale en moyenne sans imposer l'égalité, inopportune, des vitesses d'avance instantanées, - il réalise automatiquement, à fond de trou, la variation des conditions de coupe imposées à chacun des outils en fonction des variations de résistance du terrain et permet ainsi, dans toutes les circonstances, une répartition instantanée convenable de la puissance disponible ; ainsi, quand l'outil central tend à prendre du retard dans son mouvement d'avance et se trouve freiné dans sa rotation, le ressort contrôle l'accroissement de l'effort sur l'outil central et le soulagement simultané du trépan, tandis que l'étranglement de l'écoulement de la boue par l'orifice variable accroît la puissance hydraulique disponible pour le moteur de fond : ceci permet au moteur de délivrer un couple plus élevé et à l'appareil de réagir en souplesse contre le ralentissement de l'outil central, - il permet de solidariser automatiquement les deux outils en rotation, sans devoir interrompre le forage en cours, lorsque, pour une raison quelconque, le moteur de fond est immobilisé ou n'a plus la puissance nécessaire pour permettre à l'appareil de fonctionner dans des conditions normales. Les figures 1 à 3 du dessin ci-annexé décrivent à titre d'exemple une réalisation de l'appareil de forage, objet de l'invention, dans laquelle sont présentes toutes les dispositions énumérées ci-dessus. La figure 1 présente est une coupe axiale de l'appareil de forage. La figure 2 présente, à échelle majorée, une coupe partielle II-II de la figure 1 (le moteur étant vu de dessus sans être coupé). La figure 3 est une partie, à échelle agrandie, de la coupe axiale présentée à la figure 1. On reconnaît sur ces figures, l'outil central 1 entraîné en rotation par un moteur de fond identifié par son stator 4 ainsi que le trépan 2 et son embase 5 entraînés depuis la surface par des tiges 3 d'un train de forage appartenant à un système rotary. Entre le stator 4 du moteur de fond et l'embase 5 du trépan, l'appareil comprend une liaison prismatique 450. L'embase est ici en deux pièces assemblées par le filet conique 51. La liaison prismatique 450 est ici réalisée par une cannelure comportant quatre dents 40 sur le stator, engagées entre des dents 50 appartenant à l'embase 5 du trépan. Le ressort 6 travaillant en compression prend appui, en 570, sur l'embase du trépan et, en 416, sur quatre saillants 41 du stator 4, les surfaces de tête de ces saillants formant, en 451, un guidage cylindrique complémentaire du stator dans l'embase du trépan. Les saillants 41 du stator 4 présentent d'autre part des faces d'appui 452 qui peuvent constituer avec des faces d'appui 532 sur des saillants 53 de l'embase 5 du trépan une butée permettant d'extraire l'appareil du puits sans en perdre une partie. L'orifice 7 par où passe la boue déviée de l'orifice d'admission 8 du moteur de fond est étranglé par le stator 4 du moteur de fond quand celui-ci comprime le ressort 6, de sorte qu'un débit de boue croissant est alors admis dans le moteur par son orifice d'admission 8. Le débit de boue qui a franchi l'orifice 7 circule dans l'espace annulaire 453 entre l'embase 5 du trépan et le stator 4 du moteur de fond, traverse les orifices 52 qui constituent des restricteurs, puis traverse le trépan et gagne le puits par des orifices 20 ménagés dans le corps du trépan. Le débit de boue qui a été admis dans le moteur par l'orifice 8 traverse le moteur en lui cédant de l'énergie et s'échappe finalement dans le puits par des orifices 10 ménagés dans l'outil central. L'appareil de forage comprend encore une roue libre à rouleaux (211) interposée entre la surface 21 de l'alésage de l'embase du trépan 2 et une portée de l'embase 11 de l'outil central 1. Cette roue libre est montée de manière qu'elle se verrouille quand la vitesse de rotation absolue de ' outil central tend à tomber en dessous de celle du trépan. REVENDICATIONS 1. Appareil de forage pétrolier, gazier ou géothermique comportant un outil central (1) et un trépan (2) coaxiaux, dans lequel l'outil central (1) est entraîné par le rotor d'un moteur de fond alimente par la boue de forage et dans lequel le trépan (2) est entraîné, depuis la surface, par les tiges (3) d'un train de forage appartenant à un système rotary, ces mêmes tiges soumettant l'appareil à un effort axial, cet appareil de forage étant CARACTERISE en ce que, entre le stator (4) du moteur de fond et l'embase (5) du trépan, il comprend une liaison prismatique (450) qui permet le déplacement axial relatif des deux outils et en ce qu'un moyen élastique (6) est interposé entre le stator (4) et l'embase (5) de manière à être contraint par le stator quand l'outil central tend à prendre du retard par rapport au trépan dans leurs mouvements d'avance respectifs, afin de contrôler le déplacement axial relatif des deux outils et de répartir entre eux, en fonction de ce déplacement, l'effort axial auquel l'appareil est soumis. 2. Appareil de forage conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que le stator (4) du moteur de fond et l'embase (5) du trépan présentent des formes délimitant entre elles un orifice (7) dont la section est fonction de leurs positions relatives, par lequel orifice (7) la boue est déviée de l'orifice d'admission (8) du moteur, de manière à accroître le débit admis dans le moteur quand le déplacement axial relatif du stator se fait dans le sens où il tend à contraindre le ressort (6) et réciproquement. 3. Appareil de forage conforme aux revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'une roue libre (211), d'un type permettant le déplacement axial relatif at i f des deux outils, est interposée entre l'embase (11) de l'outil central (1) et le trépan (2), et montée de manière à se verrouiller quand la vitesse de rotation absolue de l'outil central tend à tomber en dessous de celle du trépan.