Brevet FR2813340A1 — publié le 20020301

La présente invention concerne les dispositifs permettant de déplacer radialement l'un par rapport à l'autre deux organes disposés l'un à l'intérieur de l'autre, de tels dispositifs trouvant notamment application dans des installations de forage dirigé. On est amené, dans des installations de recherche pétrolière, de génie civil ou autre, à exécuter des forages selon des trajectoires complexes et précises et divers dispositifs peuvent être utilisés pour orienter l'outil de forage dans la direction souhaitée. On a en particulier déjà utilisé des dispositifs à double excentrique, ou des vérins gonflables ou radiaux. Ces dispositifs connus offrent des inconvénients qui leur sont spécifiques : les dispositifs à double excentrique sont relativement complexes et par conséquent coûteux et peu fiables ; les dispositifs à vérins radiaux ont un encombrement radial important pour une course relativement faible ; quant aux dispositifs à vérins gonflables ils ont notamment une mauvaise tenue en température. Le but de cette invention est de fournir un dispositif qui permette pour l'essentiel de remédier à ces divers inconvénients et qui, en particulier, procure une course suffisante, soit compact et de construction relativement simple, de façon à pouvoir fonctionner dans un environnement difficile, pour ce qui concerne notamment l'encombrement, la température et les vibrations. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif permettant de déplacer radialement l'un par rapport à l'autre deux organes, respectivement intérieur et extérieur, disposés l'un dans l'autre et sensiblement coaxiaux dans une position neutre, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs sabots d'actionnement en forme de coins, disposés et répartis angulairement dans un intervalle annulaire délimité entre les deux organes intérieur et extérieur, chaque sabot étant en contact avec deux surfaces d'appui portées respectivement l'une par l'organe extérieur et l'autre par l'organe intérieur et dont l'une au moins est inclinée par rapport à l'axe commun (en position neutre) aux deux organes et étant actionné par un vérin hydraulique, chaque vérin comportant un corps délimité dans l'organe extérieur et une tige de piston reliée au sabot associé. Suivant d'autres caractéristiques - il comporte plusieurs groupes de plusieurs ensembles sabot-vérin, ces groupes étant régulièrement répartis angulairement autour de l'axe commun (en position neutre) aux deux organes ; - les surfaces d'appui ménagées dans l'organe extérieur sont cylindriques, de section circulaire et ont leur axes inclinés par rapport à l'axe de l'organe extérieur ; les surfaces des sabots, en contact avec ces surfaces d'appui, ont une forme complémentaire, et leurs vérins d'actionnement sont coaxiaux auxdites surfaces d'appui ; - l'organe intérieur comporte des méplats délimitant des surfaces d'appui sensiblement parallèles à l'axe de cet organe intérieur et chaque sabot comporte une face plane correspondante ; - des ressorts de rappel sont disposés entre l'organe intérieur et les sabots et tendent à ramener ces sabots vers leur position correspondant à la position neutre du dispositif ; et - l'organe intérieur est un arbre monté rotatif dans un berceau qui coopère avec les sabots. L'invention a aussi pour objet un dispositif de forage dirigé (pétrolier, génie civil ou autre) comprenant une chemise tubulaire extérieure, un arbre s'étendant, en position neutre, coaxialement à l'intérieur de ladite chemise, en étant soutenu dans cette chemise, à une extrémité par une articulation à rotule, et à l'autre extrémité par un palier ou une articulation à rotule, des moyens étant prévus, entre la chemise et l'arbre, pour décaler radialement ce dernier, en un point intermédiaire entre lesdites extrémités afin de le fléchir dans un plan déterminé, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent au moins un dispositif tel que défini ci-dessus. L'invention va être décrite plus en détail ci-dessous en se référant aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples et sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif selon l'invention, occupant sa position neutre, cette coupe étant effectuée suivant la ligne 1-1 de la figure 2 ; - les figures 2 et 3 sont, respectivement des vues en coupe suivant les lignes 2-2 et 3-3 de la figure 1; - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 1 représentant le dispositif dans une position décalée ; - les figures 5 à 8 représentent quatre variantes de schémas hydrauliques d'alimentation des vérins d'actionnement du dispositif représenté aux figures 1 à 4 ; - les figures 9 à 11 représentent trois variantes de réalisation ; et - les figures 12 et 13 représentent schématiquement deux variantes d'un dispositif de forage dirigé équipé d'un dispositif selon l'invention. On voit sur les figures 1 à 3 un organe tubulaire extérieur 10 dans lequel s'étend un organe intérieur 12 constitué dans cet exemple par un arbre creux, les organes 10 et 12 étant normalement réalisés en acier ou autre matériau approprié. Dans la position neutre représentée à la figure 1, les deux organes 10 et 12 sont coaxiaux d'axe X-X. Le dispositif selon l'invention, disposé entre l'organe extérieur 10 et l'organe intérieur 12 comprend trois groupes de deux sabots 20, ces trois groupes étant répartis angulairement de façon régulière autour de l'axe X-X, donc à 120 . Chaque sabot a une forme générale en coin et est en contact avec deux surfaces d'appui délimitées l'une 22 par l'organe extérieur 10 et l'autre 24 par l'arbre intérieur 12. La surface d'appui 22 délimitée par l'organe extérieur est constituée par une portion de cylindre de section circulaire et dont l'axe Y-Y est incliné par rapport à l'axe X-X. Les axes de ces surfaces d'appui cylindriques, associées chacune à un sabot constituent des génératrices d'un cône de révolution d'axe X-X. L'angle formé entre un axe Y-Y et l'axe X-X est compris entre 5 et 30 et de préférence entre 10 et 20 . La surface 26 du sabot, en contact avec la surface 22 offre la même forme cylindrique, de sorte que le sabot peut à la fois coulisser et tourner par rapport au logement 22 dans lequel il est reçu. La face 28 de chaque sabot dirigée vers l'arbre 12 est plane et est en contact avec une surface d'appui 24, constituée par un méplat ménagé sur l'arbre 12. Des rainures 30, 32 sont ménagées à la surface des méplats 24 de l'arbre 12, ainsi que dans la paroi en regard 28 des sabots 20, de façon à délimiter un logement et deux surfaces de butée 34, 36, pour des ressorts 38. Chaque sabot est actionné par un vérin hydraulique 40 haute pression coaxial à la surface cylindrique 22. La partie cylindre 42 de chaque vérin est délimitée dans l'organe extérieur 10 et la partie piston et tige de piston 44 est solidaire du sabot 20. Les ensembles pistons-sabots peuvent être réalisés en bronze ou autre matériau approprié aux constructions hydrauliques. Ces vérins sont de préférence des vérins à simple effet, de façon à simplifier leur construction et leur commande. Ils sont alimentés par des moyens hydrauliques, dont des réalisations vont être décrites en se référant aux figures 5 à 8, la pièce extérieure 10 pouvant servir de bloc foré, cette technique étant bien connue dans ce secteur. La description des schémas représentés aux figures 5 à 8 suffit pour l'homme du métier qui dispose des connaissances nécessaires pour mettre ces schémas en oeuvre et alimenter correctement l'ensemble des vérins 40. Le schéma représenté à la figure 5 comprend une centrale hydraulique 50 équipée par exemple d'une pompe à barillet, qui peut être réglée à une pression comprise par exemple entre 200 et 400 bars. Chacun des groupes de vérins d'actionnement 40 (dont deux sont visibles sur la figure 5) est alimenté par une électrovanne à trois voies 52. Chaque groupe de vérins est par ailleurs équipé d'un clapet de surpression 54 afin d'éviter les surcharges dans l'ensemble des organes mécaniques. Dans le mode de réalisation de la figure 6, chaque groupe de vérins d'actionnement 40 est commandé par un circuit alimenté à partir de la centrale hydraulique 50 et comprenant deux électrovannes 60, 62 à deux voies, normalement fermées. Comme dans le cas de la figure 5, chaque circuit d'alimentation d'un groupe de vérins est équipé d'un clapet de surpression 54. Dans la variante de schéma hydraulique de la figure 7, chaque groupe de vérins d'actionnement 40 est alimenté à partir de la centrale hydraulique 50 Dar un circuit comprenant deux électrovannes 70. 72, à deux voies, normalement ouvertes. Là encore, un clapet de surpression 54 est prévu dans chaque circuit d'alimentation de chaque groupe de vérins. Enfin dans le schéma de la figure 8, chaque groupe de vérins d'actionnement 40 est alimenté à partir de la centrale hydraulique 50 par un circuit comprenant une électrovanne à deux voies 80, normalement fermée, et une électrovanne à deux voies 82, normalement ouverte, chaque circuit étant comme précédemment muni d'un clapet de surpression 54. Le choix du type d'électrovannes est fonction notamment des types de fonctionnement recherchés en modes dégradés ou en d'autres termes de la configuration qui est souhaitée pour le dispositif en cas de panne du dispositif d'alimentation, pour obtenir la meilleure sécurité et/ou la consommation la plus faible. Le fonctionnement d'un dispositif tel que décrit aux figures 1 à 4 est le suivant Dans la position neutre représentée à la figure 1, les deux organes extérieur et intérieur sont coaxiaux d'axe X-X. Si l'on souhaite décaler radialement ces deux organes l'un par rapport à l'autre, et en particulier si l'on souhaite décaler radialement l'arbre 12, l'organe extérieur 10 étant considéré comme fixe, il suffit d'alimenter convenablement les vérins 40, certains de ces vérins étant alimentés de façon à provoquer la sortie des pistons et des sabots dont ils sont solidaires, tandis que pour d'autres vérins on réalise une mise à la bâche, les pistons et les sabots associés se déplaçant alors vers l'arrière du vérin, c'est-à-dire vers la droite en considérant la figure 1, sous l'action des ressorts 38. L'alimentation ou la mise à la bâche des différents vérins s'effectue en fonction de la direction dans laquelle on souhaite déplacer radialement l'arbre 12. Les sabots 20 qui sont amenés à se déplacer vers la gauche en considérant la figure 1, provoquent du fait de leur forme en coin, un déplacement radial de l'organe intérieur et un décalage de l'axe X'-X de l'arbre 12 par rapport à l'axe X-X, comme représenté sur la figure 4. Ce déplacement, pour une course des sabots de 24 mm, est de 4 mm environ pour un angle d'inclinaison de 10 des vérins 40 et de 6,2 mm environ pour un angle de 15 . Ce déplacement des sabots est effectué à l'encontre de l'action des ressorts de rappel 38, la présence de tels ressorts de rappel permettant d'utiliser des vérins à simple effet, plus simples et plus fiables que des vérins à double effet. Le fait que les sabots puissent tourner librement autour des axes Y-Y par rapport à l'organe extérieur 10 permet de maintenir un bon contact entre les faces planes 24, 28, quelle que soit la position relative des organes 10 et 12. Dans le mode de réalisation de la figure 9, la seule différence par rapport au mode de réalisation précédent, réside dans la présence d'un patin à aiguilles 90 interposé entre les surfaces planes en regard 24, 28 de l'arbre 12 et des sabots 20. Dans le mode de réalisation de la figure 10, l'arbre intérieur 12 est monté rotatif au moyen de paliers 100, 102 dans un berceau annulaire 104. C'est ce berceau qui coopère avec les sabots 20 pour provoquer le déplacement radial de l'arbre intérieur. A cet effet, il comporte des méplats ainsi que des rainures adaptées pour recevoir les ressorts 38, comme décrit à propos du premier mode de réalisation. Comme dans le cas de la figure 9, un patin à aiguilles peut aussi être interposé entre les faces en regard des sabots 20 et du berceau 104. Un tel mode de réalisation est préféré lorsque l'organe intérieur 12 est un arbre lui-même entraîné en rotation, ainsi que cela est le cas dans les dispositifs de forage. On a représenté à la figure 11 une autre variante d'un dispositif suivant l'invention, selon laquelle deux dispositifs tels que décrits aux figures 1 à 4 sont disposés tête-bêche ou symétriquement par rapport à un plan radial P, perpendiculaire à l'axe X-X. Les mêmes ressorts 110 peuvent être utilisés entre deux sabots 20 disposés face à face. Grâce à un tel agencement, la puissance disponible peut être multipliée par deux. On a représenté aux figures 12 et 13 une application particulière d'un dispositif selon l'invention à un équipement de forage dirigé, fonctionnant en mode tournant (ou rotary ), dans laquelle un outil de forage 120 porté par un arbre 122 doit être orienté suivant la direction souhaitée du puits de forage. Dans un tel agencement, une chemise extérieure 124 est bloquée par rapport à la paroi du puits par des moyens d'ancrage 126 et l'arbre rotatif 122 portant l'outil de forage 120 est supporté dans la chemise, à sa partie avant par une rotule 128 et à sa partie arrière par un palier 130 (Figure 12) ou une rotule 132 (Figure 13). Un dispositif selon l'invention dans sa réalisation de la figure 10 est disposé dans une zone intermédiaire, entre la chemise et l'arbre, l'ensemble du dispositif étant noyé dans l'huile pour assurer une bonne lubrification. Le dispositif permet de déplacer radialement, localement l'arbre 122, dans un plan déterminé, ce qui provoque sa flexion et une inclinaison de sa partie aval, autorisée par la rotule 128. Le dispositif suivant l'invention présente un encombrement radial faible, sans pour autant que ses capacités de transmission de force et de déplacement radial soient diminuées. II est facilement adaptable en jouant sur la valeur de l'angle d'inclinaison des vérins. II est par ailleurs de construction simple et robuste ce qui permet d'envisager une plage d'applications particulièrement large. En particulier, la disposition des vérins hydrauliques et des coins d'actionnement en partie dans l'épaisseur de l'organe extérieur et dans l'intervalle annulaire délimité entre les deux organes 10 et 12, offre des possibilités de miniaturisation importante. D'autres variantes peuvent bien entendu être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention ; en particulier :. - le nombre et la disposition des ensembles vérin-sabot d'actionnement peut être modifié ; - le nombre d'ensembles vérin-sabot dans chaque groupe peut être supérieur à deux ; - la liaison entre tige de piston et sabot peut ne pas être fixe mais au contraire articulée, autorisant par exemple une inclinaison différente des axes des rampes des sabots et des axes des vérins. REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant de déplacer radialement l'un par rapport à l'autre deux organes, respectivement intérieur (12) et extérieur (10), disposés l'un dans l'autre et sensiblement coaxiaux (d'axe X-X) dans une position neutre, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs sabots d'actionnement (20) en forme de coins, disposés et répartis angulairement dans un intervalle annulaire délimité entre les deux organes intérieur et extérieur, chaque sabot étant en contact avec deux surfaces d'appui (22, 24) portées respectivement l'une par l'organe extérieur 10 et l'autre par l'organe intérieur (12) et dont l'une au moins est inclinée par rapport à l'axe commun (en position neutre) aux deux organes, et étant actionné par un vérin hydraulique (40), chaque vérin comportant un corps (42) délimité dans l'organe extérieur (10) et une tige de piston (44) reliée au sabot (20) associé. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs ensembles sabot-vérin, régulièrement répartis angulairement autour de l'axe commun (en position neutre) aux deux organes. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs groupes de plusieurs ensembles sabot-vérin, ces groupes étant régulièrement répartis angulairement autour de l'axe commun (en position neutre) aux deux organes. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les surfaces d'appui (22) ménagées dans l'organe extérieur (10) sont cylindriques, de section circulaire et ont leur axes (Y-Y) inclinés par rapport à l'axe (X-X) de l'organe extérieur ; les surfaces (26) des sabots (20), en contact avec ces surfaces d'appui, ont une forme complémentaire, et leurs vérins d'actionnement (40) sont coaxiaux auxdites surfaces d'appui (22). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe intérieur (12) comporte des méplats (24) délimitant des surfaces d'appui sensiblement parallèles à l'axe de cet organe intérieur et chaque sabot (20) comporte une face plane (28) correspondante. 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que des ressorts de rappel (38) sont disposés entre l'organe intérieur (12) et les sabots (20) et tendent à ramener ces sabots vers leur position correspondant à la position neutre du dispositif. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que des rainures (30, 32) sont ménagées dans les faces en regard (24, 28) de l'organe intérieur (12) et des sabots (20) pour délimiter un logement et des surfaces d'appui (34, 36) pour les ressorts de rappel (38). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un patin à aiguilles (90) est interposé entre chaque sabot (20) et l'organe intérieur (12 ; 104). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'organe intérieur (12) est un arbre monté rotatif dans un berceau (104) qui coopère avec les sabots (20). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est double, et comporte en fait deux dispositifs disposés symétriquement par rapport à un plan radial (P). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'un même ressort (110) agit sur deux sabots (20) opposés. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que chaque sabot est solidaire de la tige de piston associé. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que chaque sabot est articulé sur la tige de piston associée. 14. Dispositif de forage pétrolier ou autre comprenant une chemise tubulaire extérieure (124), un arbre (122) s'étendant, en position neutre, coaxialement à l'intérieur de ladite chemise, en étant soutenu dans cette chemise, à une extrémité par une articulation à rotule (128), et à l'autre extrémité par un palier (130) ou une articulation à rotule (132), des moyens étant prévus, entre la chemise et l'arbre, pour décaler radialement ce dernier, en un point intermédiaire entre lesdites extrémités, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent au moins un dispositif tel que défini aux revendications 1 à 13.