Brevet FR2721346A1 — publié le 19951222

OUTIL ARTICULE POUR LE FORAGE DE PUITS PETROLIERS, GAZIERS OU GEOTHERMIQUES L'invention est relative à un outil de forage de puits pétroliers, gaziers ou géothermiques, animé en rotation, soit depuis la surface par un système rotatif de tiges et de massestiges, soit par un moteur de fond. L'outil comporte deux organes principaux. Le premier est un arbre creux qui s'assemble par 1une de ses extrémités soit a la dernière tige du train, soit à l'arbre du moteur par lequel doit alors être amenée la boue de forage. Par souci d'unite de langage, nous appellerons "organe d'entraînement dans les deux cas, la tige ou l'arbre du moteur auquel s'assemble l'arbre creux appartenant à l'outil. C'est aussi par cet organe d'entranement que l'effort d'avance est transmis à l'outil.Le deuxidme organe principal de l'outil est un corps tubulaire borgne, appelé ciaprès "corps d'outil", dont l'extrémité fermée porte extérieurement les tranchants, et dont l'extrémité ouverte permet le passage de l'arbre creux. Le corps d'outil est mis en liaison sphérique avec l'autre extrémité de l'arbre creux par une rotule localisée dans le fond du corps d'outil, de même que le centre de ses surfaces de contact que nous appelons "centre de la rotule". Le corps d'outil et l'arbre creux ont par ailleurs une deuxième liaiscn permettant la transmission du ccuple de forage de l'arbre creux au corps d'outil en respectant les libertés relatives permises entre l'arbre creux et le corps d'outil par leur liaison sphérique. Nous appellerons n "joint de transmission" le système mécanique matérialisant cette deuxième liaison entre l'arbre creux et le corps d'outil. L'outil est encore pourvu d'un stabilisateur localisé au voisinage de l'extrémité ouverte du corps d'outil, et d'un double système déformable d'etanchEit6, isolant, entre le corps d'outil et l'arbre creux, une chambre d'huile contenant la rotule et le joint de transmission, dans laquelle le lubrifiant est contenu et peut entre maintenu à une pression voisine de celle du flux de boue de forage remontant vers la surface. Aucun outil de forage répondant à cette description n'appartient à l'état actuel de la technique. Les avantages présentes par cet outil par rapport aux outils connus, résultent de la liaison sphérique interne existant entre ses deux organes principaux, et de la localisation de la rotule, matérialisant cette liaison, par rapport à la zone de l'outil où sont implantés les tranchants. Dans le cas ot l'arbre oraux, assemblé à l'organe d'entrai- nement, est maintenu par celui-ci dans l'axe du puits déjà foré, et où l'outil tend par suite des conditions de coupe qu'il rencontre, à amorcer un mouvement de précesslon, la position du centre de la rotule, auquel s'identifie le sommet du cone de précession, permet au corps d'outil de réagir spontanément à l'inclinaison de l'effort de coupe qui en résulte: cet effort tend lui-même à ramener le corps d'outil en coaxialité avec l'arbre creux, avec une sensibilité d'autant plus grande que le centre de la rotule est situe plus loin des surfaces de contact de cette rotule, dans le sens du mouvement d'avance de l'outil. Dans ce cas, l'action du stabilisateur est secondaire. Dans le cas où une déformation de l'organe d'entrainement amène l'axe de l'arbre creux à s'incliner par rapport à l'axe du puits, cet axe décrit scus l'effet de la rotation qui lui est imposée, un cône dont le sommet coïncide avec le centre de la rotule. Le corps d'outil tend à sui-r-e le mouvement de l'arbre creux mais le stabilisateur l'en empeche, et ce, d'une manière particulièrement efficace si ce stabilisateur est en liaison rotoide avec le corps d'outil: le corps d'outil continue à progresser dans l'axe du puits, indépendamment du mouvement perturbe que l'organe d'entrainement impose à l'arbre creux. Enfin, dans le cas où 1outil est entraîné par un moteur de fond, le corps d'outil peut etre volontairement contraint à s'incliner par rapport à l'arbre creux, dans une direction absolument fixe, par un moyen lié au stator du moteur de fond et commandé à partir de celui-ci. La figure unique mcntre à titre dSesemple non-limitatif un outil de forage conforme à l'nvention. Dans la coupe partielle que présente cette figure, on peut voir les deux organes principaux constitutifs de l'outil: l'arbre creux 1 et le corps d'outil 2, de forme tubulaire borgne portant à son extrémité fermée les plaquettes tranchantes telles que 22. L'arbre creux 1 s'assemble par l'une de ses extrémités à l'organe d'entrainement, non représenté, par l'intermédiaire du filet conique 3. Par son autre extrémité, l'arbre creux 1 est mis en liaison sphérique avec le corps d'outil 2 par une rotule, localisée dans l'extrémité fermée du corps d'outil et constituée de 1 ' Eldment 4 portant la surface mâle et solidaire du corps d'outil ainsi que de lwelEment S portant la surface femelle et solidaire de l'arbre creux. Les surfaces de contact mâle et femelle, en conformité dans la rotule, sont centrées au point A que nous avons appelé centre de la rotule. L'arbre creux 1 et le corps d'outil 2 sont une seconde fois mis en liaison par le manchon 6 qui porte une denture intérieure droite 7 et une denture extérieure bombée 8.La denture intérieure droite 7 du manchon engrène avec la denture extérieure bombée 9, de mAme nombre de dents, usinée sur la pièce 10 solidaire de l'arbre creux et la denture extérieure bombée 8 du manchon engrène avec la denture intérieure droite 11, de méme nombre de d=Ats, solidaire du corps d'outil. Cette deuxième liaison entre l'arbre creux et le corps d'outil se présente donc sous la forme d'un accouplement déformable, le manchon 6 ayant un contact ponctuel supplémentaire par la surface 12 avec la partie 5 de la rotule, de manière à limiter vers l'avant la translation absolue du manchon. La liaison sphérique réalisée par la rotule 4,5 étant unilatérale, un contact de substitution est prévu entre la surface 13 liée à l'arbre creux et la surface 14 liée au corps d'outil, lors de la descente ou de la remontée de l'outil, pour permettre, pendant ces opérations, la transmission d'un effort agissant de l'arbre creux au corps d'outil dans le sens opposé à celui que la rotule peut transmettre. Deux systèmes d'étanchéité utilisant respectivement les membranes IS et 16 isolent de la boue de forage, entre l'arbre creux et le corps d'outil, une chambre d'huile 17 contenant le lubrifiant indispensable à la rotule et à l'accouplement. La membrane 15 (membrane avant), dont la forme à l'état libre est celle d'un tube portant une bride à une de ses extrémité, est engagée par sa partie de forme tubulaire dans la surface intérieure de l'arbre creux et par sa partie en forme de bride dans le corps d'outil. Cette membrane, qui sépare le flux de boue descendant La membrane 16 (membrane arrière) dont la forme à l'état libre est celle d'un tronc de c8ne, est attachée par le périmètre de sa petite base à la surface extérieure de l'arbre creux, et par le périmètre de sa grande base à la surface intérieure du corps d'outil, de manière que la petite base soit située du c8tF de la partie ouverte du corps d'outil. Des ouvertures latérales telles que 18 sont percees dans le corps de l'outil, à hauteur de la membrane 16, de manière ramener à cet endrcit le flux de boue remontante à l'intérieur du corps d'outil, et à créer ainsi, le long de la face arrière de la membrane, un effet de balayage empochant tcute sidimentatson de corps curs à proxirnité de cette membrane. L'outil comporte un stabilisateur 19 au voisinage de l'extrémité ouverte du corps d'outil. Dans la réalisation illustrée ici, ce stabilisateur 19 est en liaison rotonde avec le corps d'outil par l'intermédiaire des roulements 20 et 21, lubrifiés séparément, à la graisse, lors du montage et des entretiens. REVENDICATIONS 1. Outil de forage de puits pétroliers, gaziers ou géothermiques, animé en rotation par un organe d'entrainement, qui lui transmet aussi un effort d'avance, CARACTERISE - en ce qu'il est constitué de deux organes principaux, dont l'un est un arbre creux (1) assemblé par lune de ses extrémités (3) à l'organe d'entrainement, et l'autre un corps tubulaire borgne (2) appelé ici corps d'outil, dont l'extrémité fermée porte extérieurement les tranchants et dont l'extrémité ouverte permet le passage de l'arbre creux, - en ce que le corps d'outil est mis en liaison sphérique avec l'autre extrémité de l'arbre creux par une rotule (4, 5) localisée dans l'extrémité fermée du corps d'outil, - en ce que le corps d'outil possède par ailleurs avec l'arbre creux une deuxième liaison, appelée ici joint de transmission (6, 7, 8, 9, 11), permettant la transmission du couple de forage de l'arbre creux au corps d'outil en respectant les libertés résultant de la liaison sphérique entre les organes principaux, - en ce qu'il comporte un stabilisateur (19) localisé au voisinage de l'extrémité ouverte du corps d'outil et, - en ce qu'un double système d'étanchéité déformable (15, 16) isole entre l'arbre creux et le corps d'outil une chambre à huile contenant la rotule et le joint de transmission. 2. Outil de forage conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que la liaison sphérique (4, 5) localisée dans le fond du corps d'outil est unilatérale, de manière à ne transmettre, de l'arbre creux au corps d'outil, qu'un effort dirigé dans le sens du mouvement d'avance, le centre (A) de la rotule qui réalise la liaison sphérique unilatérale pouvant ainsi être reporté le plus loin possible dans le sens du mouvement d'avance. 3. Outil de forage conforme à la revendication 1, caractérisé - en ce que le joint de transmission est constitué d'un manchon (6) contenu dans le corps d'outil (2), portant à l'une de ses extrémités une denture droite intérieure (7) et à l'autre extrémité une denture bombée extérieure (8), - en ce que la denture droite intérieure (7) de ce manchon engrène avec une denture extérieure bombée (9) de même nombre de dents, solidaire de l'arbre creux et, - en ce que la denture extérieure bombée du manchon (8) engrène avec une denture intérieure droite (11) de même nombre de dents, solidaire du corps d'outil, de manière à constituer un accouplement déformable entre l'arbre creux et le corps d'outil, un appui ponctuel supplémentaire (12) du manchon sur l'un des organes principaux de l'outil limitant unilatéralement la translation absolue du manchon sans en restreindre les libertés relatives. 4. Outil de forage conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que le stabilisateur (19) localisé au voisinage de l'extrémité ouverte du corps d'outil est en liaison rotoïde (20, 21) avec le corps d'outil. 5. Outil de forage conforme à la revendication 1 caractérisé - en ce que le double système d'étanchéité déformable isolant la chambre d'huile (17) est constitué d'une membrane avant (15), dont la forme à l'état libre est celle d'un tube portant une bride à une de ses extrémités, la partie de forme tubulaire de cette membrane étant engagée dans la surface intérieure de l'arbre creux et la bride étant engagée dans le corps d'outil, et une membrane arrière (16), dont la forme libre est celle d'un tronc de cône, et qui se trouve attachée dans la surface extérieure de l'arbre creux (1) et dans la surface intérieure du corps d'outil (2), de manière que la petite base du tronc de cône soit située du côté de la partie ouverte du corps d'outil et, - en ce que le corps d'outil (2) présente à hauteur de membrane arrière (16) des ouvertures (18) permettant de ramener le flux de boue remontante à l'intérieur du corps d'outil en créant le long de la membrane arrière (16) un effet de balayage empêchant la sédimentation de particules dures entre la membrane et le corps d'outil.