Brevet FR2827333A1 — publié le 20030117

DISPOSITIF AMORTISSEUR POUR UNE INSTALLATION DE FORAGE. La présente invention concerne un dispositif amortisseur pour une installation de forage présentant un train de tiges qui porte à son extrémité aval un outil de forage. Les trains de tiges d'une telle installation sont susceptibles d'être soumis à des vibrations verticales, torsionnelles et latérales. Ce phénomène peut apparaître rapidement et conduire à la détérioration, voire à la mise hors d'usage, de l'outil de forage ou d'autres équipements de fond, ce qui nécessite leur remplacement. Aucune technique connue ne permet à ce jour d'apporter de solution à ce problème. Le Brevet des Etats-Unis US 4 958 692 (ANDERSON) concerne un stabilisateur pourvu de lames dont chacune forme une spirale. Chaque lame est pourvue de billes libres en rotation, dont chacune présente un degré de liberté radial. Un siège sur lequel s'appuie une bille est rappelé radialement vers l'extérieur par une rondelle Belleville. Les mouvements du siège de la bille créent une pression dans un puits à graisse, ce qui permet de contrôler le déplacement de la bille dans la direction radiale vers l'intérieur. Ce stabilisateur à billes, dont les billes présentent un déplacement ommi-directionnel, permet de réduire les forces de frottement ainsi que le couple de forage. Il ne permet pas par contre de solutionner le problème posé. Le Brevet des Etats-Unis US 4 162 619 (MAURER ENGENIEERING) concerne un dispositif permettant d'amortir des vibrations longitudinales radiales et torsionnelles, mais il s'agit de vibrations qui sont communiquées à un outil de forage par son système d'entraînement. Ce dispositif ne permet pas non plus d'apporter une solution au problème que propose de résoudre la présente invention. On notera subsidiairement que la demande de brevet français FR-2 757 562 au nom des Demanderesses, prévoit de munir un outil de forage d'amortisseurs de chocs. Ces amortisseurs de chocs sont constitués par des plots de petites dimensions qui sont disposés au voisinage des taillants de l'outil et qui ont pour fonction essentielle de protéger ceux-ci des chocs subis lors de la coupe. L'action de ces plots est très localisée et l'énergie qu'ils peuvent dissiper est trop faible pour avoir une influence notable sur les vibrations complexes auxquelles est soumis le train de tiges en amont de l'outil de coupe. Comme dans le cas du Brevet US 4 162 619, l'amortisseur n'agit que sur la contrainte subie par les outils de coupe. L'idée de base de la présente invention est d'absorber au moins partiellement les vibrations latérales à l'aide d'un système d'amortissement des chocs, installé sur un tubage du train de tiges de forage. On évite ainsi les cas les plus critiques dans lesquels les outils et autres équipements peuvent être détruits. Ceci peut conduire avantageusement à une augmentation de la vitesse d'avancement de l'outil par rapport à une installation de forage de l'art antérieur dont le train de tiges n'est pas été équipé de tels moyens d'amortissement. Alternativement, il serait possible d'augmenter la durée de vie de l'outil de forage en maintenant la même vitesse de forage. L'invention concerne un dispositif amortisseur pour train de tiges de forage caractérisé en ce qu'il présente au moins un élément amortisseur au moins en partie en élastomère qui est disposé sur une face externe dudit dispositif amortisseur. La mise en oeuvre des propriétés d'amortissement de l'élastomère permet un amortissement efficace au moins des vibrations latérales. Le dispositif amortisseur peut présenter au moins un élément amortisseur de forme cylindrique. Il peut présenter une pluralité d'éléments amortisseurs qui sont, par exemple, répartis selon la circonférence du dispositif amortisseur, ou bien encore disposés sur au moins une nervure. Cette nervure peut avoir un axe qui est parallèle à un axe longitudinal du dispositif amortisseur ou bien qui est incliné par rapport à celui-ci. Un élément amortisseur peut être au moins en partie revêtu d'un élément protecteur par exemple en acier, en carbure de tungstène ou en un matériau incluant du diamant. Un élément amortisseur peut être en élastomère résistant à l'abrasion, par exemple en un élastomère chargé. Un élément amortisseur peut comporter une pièce en élastomère qui présente au moins une inclusion constituée par une plaque métallique. Au moins un élément amortisseur peut être démontable, ce qui facilite la maintenance. Il peut comporter un ensemble démontable comportant par exemple un patin, un ou plusieurs éléments amortisseurs en élastomère solidaires du patin, ainsi qu'une pièce de protection. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif amortisseur comporte un palier ayant une partie interne qui est apte à permettre un montage du dispositif amortisseur sur une tige d'un train de tiges tout en assurant son découplage en rotation. Le dispositif amortisseur peut comporter au moins un élément amortisseur hydraulique. Celui-ci peut comporter deux cavités contenant un fluide hydraulique tel qu'une graisse, ces cavités étant reliées par au moins un canal. Avantageusement, un dit élément protecteur présente au moins un bord intérieur guidé par une pièce de guidage séparant les deux cavités. Le dispositif amortisseur selon l'invention est plus particulièrement destiné à être disposé sur un tubage d'un train de tiges, en particulier en répartissant plusieurs dispositifs amortisseurs le long du train de tiges. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après, en liaison avec les dessins, dans lesquels : les figures la, lb et 2 représentent en vue latérale trois variantes de l'invention, dont les figures 3 et 4 illustrent deux modes de réalisation en coupe transversale, - les figures 5 à 8 représentent des variantes d'éléments amortisseurs cylindriques selon l'invention, - les figures 9a, 9b, 10a et 10b illustrent des variantes d'un autre mode de réalisation de l'invention, - les figures 11 a et 11 b représentent respectivement en demi-coupe AA et coupe BB une autre variante de l'invention, - la figure 12 illustre un mode de réalisation de l'invention mettant en oeuvre des inclusions métalliques dans un élément amortisseur, - les figures 13a, 13b d'une part et, 14a et 14b d'autre part, illustrent deux modes de réalisation d'éléments amortisseurs démontables selon l'invention. - et la figure 15 représente en coupe un mode de réalisation avec effet amortisseur hydraulique. Comme le montrent les figures 1 a, 1 b et 2, un dispositif amortisseur 3 est monté sur un tubage 2 solidaire du train de tiges et comporte dans sa partie centrale des nervures 4 et des rainures 5. Les nervures 4 portent des éléments en élastomère 6 revêtus d'une plaque de protection 7, par exemple en acier, en carbure de tungstène ou bien en un matériau contenant du diamant. Les nervures 4 peuvent être inclinées par rapport à l'axe du train de tiges qui est également l'axe du dispositif 3, ceci étant illustré par les figures 1 a et 1 b. A la figure 1 a, les nervures 4 sont droites et portent chacune un seul élément amortisseur élastomère 6, 7. Dans le mode de réalisation de la figure 1 b, les nervures 4 sont préférentiellement hélicoïdales et portent chacune (au moins) deux éléments élastomères 6 de forme allongée, dont chacun est recouvert d'une plaque de protection 7 et qui sont espacés l'un de l'autre. Dans le mode de réalisation de la figure 2, les nervures 4 sont parallèles à l'axe du train de tiges et comportent chacune un élément 6 en élastomère de forme générale allongée, recouvert en partie d'une plaque de protection 7, par exemple en acier, en carbure de tungstène ou bien en un matériau contenant du diamant. Les nervures sont par exemple au nombre de trois. Les figures 3 et 4 illustrent deux autres modes de réalisation. La figure 3 présente une réalisation avec trois nervures 8 équipées chacune d'un élément en élastomère 6'recouvert d'un capot protecteur 7'. Un espace 8'est ménagé entre le capot 7'et l'élément 6'de manière à faciliter les débattements de l'élément amortisseur 6'dans plusieurs directions. La figure 4 diffère du mode de réalisation de la figure 3 par la présence de trois lames pleines 9 intercalées entre les nervures 8. Les modes de réalisation décrits ci-dessus permettent une mise en oeuvre simple du dispositif amortisseur, sous la forme d'un stabilisateur dont les lames sont remplacées par des patins amortisseurs. Les stabilisateurs sont utilisés de manière classique dans les installations de forage, et ils sont disposés à des distances choisies de manière à guider le train de tiges pour un forage, soit linéaire, soit incliné vers le haut, soit incliné vers le bas. On remarquera toutefois qu'une telle mise en oeuvre des dispositifs selon l'invention en vue d'un amortissement des vibrations du train de tiges, n'interfère pas avec les fonctions de guidage des stabilisateurs classiques mis en oeuvre sur le train de tiges. Le mode de réalisation de la figure 4 permet plus particulièrement d'intégrer des éléments amortisseurs à un stabilisateur classique en lui conférant une fonction supplémentaire d'amortissement du train de tiges, sans toutefois modifier notablement sa fonction de guidage, alors que les modes de réalisation des figures 1 a, 1 b, 2 et 3 permettent seulement l'amortissement du train de tiges. Les figures 5,6, 7 et 8 illustrent des modes de réalisation dans lequel un dispositif amortisseur comporte un ou plusieurs éléments amortisseurs cylindriques de révolution. Ces amortisseurs sont par exemple disposés au voisinage de l'outil de coupe 10 qui présente des taillants 11. L'outil de coupe 10 présente une extrémité amont 12 montée dans une extrémité complémentaire 25 de l'extrémité aval 23 du train de tiges 20. A titre d'exemple, les éléments amortisseurs présentent une pièce en élastomère cylindrique 16 à génératrice elliptique protégée par un capot métallique 17. L'ensemble est maintenu à ses extrémités par des coquilles 15 logées dans des rainures de l'extrémité aval 23 du train de tiges, ces rainures étant ménagées dans un manchon entourant le train de tiges. A la figure 5, l'élément amortisseur jouxte immédiatement l'outil de coupe 10, alors que dans la figure 6, la coquille aval 15 est espacée de la face supérieure 14 de l'outil de coupe 10. La figure 7 montre l'association de deux éléments amortisseurs, l'un 31 jouxtant l'outil de coupe 10, et l'autre 32 étant disposé en amont du premier amortisseur 31. On remarquera que les éléments 16 en élastomère sont avantageusement pourvus d'ouvertures internes 19 (voir figure 8) permettant de faciliter les débattements dans les directions où ils sont sollicités, d'où une meilleure linéarité et un amortissement plus efficace. Dans le mode de réalisation de la figure 8, l'amortisseur 33 est de plus monté sur un palier 34 qui permet de le laisser libre en rotation tout en le découplant du train de tiges. Ceci permet de diminuer les contraintes subies par le dispositif amortisseur. Dans le mode de réalisation des figures 9a et 9b, un élément d'amortissement 30 présente un corps central 38 logé dans une rainure 26 de la tige de forage 20 (ou d'un manchon entourant celle-ci). Le corps 38 présente des faces latérales 38'sur lesquelles sont adhérisées des pièces en élastomère 36 et 36', elles-mêmes adhérisées à des bords tombants 37 d'un capot 31 qui, en position de repos, vient en butée sur des pattes 35. Les pièces 36 et 36'sont espacées l'une de l'autre de manière à ménager un espace central 33 permettant un débattement du capot 31 dans les diverses directions de sollicitation, radiale, transversale et de torsion. Cet espace 33 améliore l'amortissement en augmentant la plage de débattement linéaire de l'amortisseur et en évitant tout effet de butée préjudiciable. En outre, il peut être également prévu un trou de fixation 32 permettant de fixer la position du corps 38 dans la rainure 26 de la tige de forage 20. A la figure 9b, (qui est une coupe partielle BB de la figure 9a), le repère 201 désigne un coin de protection qui est solidaire de la tige de forage 5 et qui assure la résistance aux efforts en limitant les débattements dans la direction longitudinale L. Le capot 31 constitue une partie active en contact avec la formation. Il est en acier résistant à l'usure, en carbone, ou bien encore il est recouvert d'un revêtement de surface dure ou diamantée. La partie en élastomère 36, 36'assure la déformation et l'amortissement dans le sens radial R ainsi que dans les directions longitudinale L et transversale T. Les figures 10a et 10b représentent en coupe longitudinale et en coupe transversale une variante du dispositif des figures 9a et 9b, dans lequel les bords tombant de la plaque 37 se prolongent par des pattes 37'qui viennent se loger sous des pattes d'extrémités 35'. Dans cette configuration, la plaque 37 est maintenue sur tout son pourtour par la plaque 35'. Les figures 11 a et 11 b se distinguent en outre par la mise en oeuvre de pièces élastomères en plusieurs parties pour former des secteurs annulaires 41 à 44 séparés par des interstices 45 à 47. De la sorte, les possibilités de débattement des éléments amortisseurs sont augmentées. On notera un intervalle 48 qui est ménagé entre l'élément amortisseur d'extrémité 41 et le bord tombant 37'pour procurer un amortissement plus efficace et faciliter les débattements. On notera également la présence éventuelle d'inclusions sous forme de plaques métalliques 50 qui permettent d'augmenter la rigidité des éléments 41 à 44 dans la direction radiale et donc d'augmenter sélectivement la raideur radiale de l'amortissement. Il est possible d'assurer une précontrainte des éléments 41 à 44 lors du serrage des pattes de maintien 35'. La figure 12 montre un dispositif amortisseur 60 de forme cylindrique de révolution à génératrice ellipsoïdale qui présente une armature externe 61, une armature interne 62 et des ouvertures internes 63 ménagées dans le corps amortisseur en élastomère 65. L'armature 62 augmente la raideur radiale, alors que les ouvertures 63 augmentent l'amplitude des débattements. Les figures 13a et 13b représentent un mode de réalisation du dispositif amortisseur 70 qui comporte un patin 71 portant des éléments amortisseurs élastomères 73. Le patin 71 peut être introduit dans une rainure complémentaire 76 d'une pièce 75 solidaire de la tige de forage. Le dispositif 70 comporte une pièce de protection 72 recouvrant les éléments amortisseurs élastomères 73 qui sont espacés les uns des autres par des intervalles 74. On peut ainsi remplacer facilement le dispositif amortisseur lors d'une opération de maintenance. Enfin, les figures 14a et 14b illustrent un autre mode de réalisation dans lequel l'élément amortisseur 80 est introduit par translation et précontrainte dans une ouverture 86 d'une pièce 85 solidaire de la tige de forage. Après libération de la précontrainte, le capot protecteur, qui est solidaire de la pièce d'amortissement en élastomère 81, émerge à travers l'ouverture 86. L'invention est susceptible de s'appliquer aux installations de forage pourvues d'un tube de forage dont l'extrémité est équipée de tout type d'outil de forage (outil monobloc, outil à molette rotative mono, bi ou tricône, outil bicentre). Les éléments amortisseurs peuvent présenter une surface de contact qui, comme représenté dans les exemples ci-dessus, est en un matériau dur (plaque acier, carbure ou avec inclusion de diamant) qui permet une répartition de la charge sur la surface de l'amortisseur. Dans le cadre de l'invention, il est également possible de mettre en oeuvre une surface de contact souple déformable qui épouse les aspérités de la surface. Dans ce cas, on peut utiliser un élastomère résistant à l'abrasion (par exemple un élastomère chargé) ou bien un élastomère renforcé par des câbles en acier, en fibres aramides ("Kevlar"), ou bien en carbone. Le mode de réalisation de la figure 8 est particulièrement intéressant en ce qu'il met en oeuvre une palier qui permet de découpler en rotation le dispositif amortisseur par rapport au train de tiges tournant qui entraîne l'outil de coupe 10. L'invention permet donc, en installant en amont de l'outil de forage, un ou plusieurs dispositifs amortisseurs de choc équipés de patins amortisseurs, d'éliminer ou de réduire au moins les vibrations et chocs latéraux générés sur le train de tiges et sur le trépan pendant le forage. Chaque patin ou lame d'amortissement de chocs est préférentiellement constitué d'une partie active dure résistant à l'abrasion, qui est fixée sur une deuxième partie élastique en élastomère ou tout autre matériau absorbeur de chocs, qui permet de réaliser l'absorption recherchée. Dans le cas où le dispositif est mis en oeuvre avec une forme semblable à celle d'un stabilisateur, le système peut être équipé d'un ou plusieurs patins (de 1 à 10 si nécessaires) qui peuvent être éventuellement disposés en alternance avec des lames standards de stabilisateur. Dans ce cas, on limite l'exposition aux chocs en protégeant le système et on préserve en plus la fonction directionnelle du stabilisateur. Le dispositif amortisseur peut être fixé par un système de vis ou bien soudé. Le dispositif peut être installé sur une partie tournante, et dans ce cas, il aide à réduire l'interaction entre des vibrations et chocs latéraux et des vibrations de torsions. En effet, les vibrations d'un type (torsion, latérale ou axiale) sont très souvent interactives. C'est ainsi que des vibrations de type latéral engendrent des vibrations axiales et de torsion. Le fouettement du train de tiges qui est lié à des vibrations latérales est par exemple susceptible d'entraîner à son tour des vibrations verticales, ce qui provoque la surcharge de l'outil qui elle-même génère la torsion du train de tiges. Pour amortir efficacement les oscillations complexes du train de tiges, il faut en dernière analyse absorber le maximum d'énergie vibratoire, quelle que soit son origine (radiale, axiale, torsion...) Le dispositif amortisseur est de préférence installé sur un manchon rotatif (voir figure 8) découplé de la tige de forage, ce qui s'avère plus efficace pour lutter contre les chocs et vibrations. Le palier 34 permet en effet d'éviter que le dispositif amortisseur ne soit soumis aux vibrations de torsion. Ces vibrations de torsion seraient en effet susceptibles de diminuer la durée de vie du dispositif amortisseur. Le dispositif amortisseur absorbe alors essentiellement les vibrations radiales. La figure 15 représente un mode de réalisation dérivé des figures 11 a et 11 b. Entre des pièces en élastomère 100 est logé un axe 90 dont la tête 91 présente un bord arrondi 92 qui vient en contact avec un bord interne 93 de la plaque 37, ce qui définit deux cavités fermées 94 et 95. La cavité 94 est disposée au dessus entre la face supérieure 96 de la tête 91 et la face inférieure 97 de la plaque 37 alors que la cavité 95 est disposée entre l'axe 90 et la face interne 101 des pièces 100. Un canal calibré 98,99 assure une communication entre les deux cavités 94 et 95 qui contiennent de la graisse. L'amortisseur hydraulique permet de freiner les mouvements de la plaque 37, avec un effet qui s'accroît avec la vitesse, en synergie avec l'amortissement élastomérique apporté par les pièces 100. La forme arrondie (en coupe) des bords 92 permet une étanchéité suffisante entre les cavités 94 et 95 tout en permettant un guidage axial de la plaque 37 autorisant cependant une certaine inclinaison de celle-ci. Les dispositifs amortisseurs selon l'invention permettent avantageusement d'absorber des énergies de plusieurs milliers de Joules, ce qui permet d'amortir efficacement les oscillations du train de tiges, de préférence en disposant plusieurs dispositifs répartis le long du t rain de tiges. REVENDICATIONS 1) Dispositif amortisseur pour train de tiges de forage, caractérisé en ce qu'il présente au moins un élément amortisseur (6,7, 16, 17,36, 36', 37,60, 70,80) au moins en partie en élastomère et qui est disposé sur une face externe dudit dispositif amortisseur. 2) Dispositif amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente au moins un élément amortisseur (16,17, 60) de forme cylindrique. 3) Dispositif amortisseur selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il présente une pluralité d'éléments amortisseurs (6, 7,16, 17,36, 36', 37,60, 70,80) répartis selon la circonférence du dispositif amortisseur. 4) Dispositif amortisseur selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il présente une pluralité d'éléments amortisseurs (6, 7) disposés sur au moins une nervure (4) ayant un axe parallèle à un axe longitudinal du dispositif amortisseur ou incliné par rapport à celui-ci. 5) Dispositif amortisseur selon une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un élément amortisseur (6,7) est au moins en partie revêtu d'un élément protecteur, par exemple en acier, en carbure de tungstène ou en un matériau incluant du diamant. 6) Dispositif amortisseur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un élément amortisseur est en élastomère résistant à l'abrasion, par exemple un élastomère chargé. 7) Dispositif amortisseur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un élément amortisseur comporte une pièce en élastomère (41 à 44,65) présentant au moins une inclusion (50, 62) constituée par une plaque métallique. 8) Dispositif amortisseur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un élément amortisseur (70,80) est démontable. 9) Dispositif amortisseur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble démontable (70) comprenant un patin (71) et un ou plusieurs éléments amortisseurs en élastomère (73), et une pièce protectrice (72). 10) Dispositif amortisseur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un palier (34) ayant une partie interne permettant un montage du dispositif amortisseur sur une tige de forage tout en assurant son découplage en rotation par rapport à ladite tige de forage. 11) Dispositif amortisseur selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un élément amortisseur hydraulique. 12) Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'élément amortisseur hydraulique présente deux cavités (94,95) contenant un fluide hydraulique tel qu'une graisse, ces cavités étant reliées par au moins un canal calibré (98,99). 13) Dispositif amortisseur selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend un élément protecteur ayant au moins un bord interne (93) guidé par une pièce de guidage (90,91) séparant les deux cavités (94,95). 14) Train de tiges de forage, caractérisé en ce qu'il présente un tubage équipé d'au moins un dispositif amortisseur selon une des revendications précédentes. 15) Train de tiges de forage selon la revendication 14 caractérisé en ce qu'il présente plusieurs dispositifs amortisseurs répartis le long dudit train de tiges.