UNIVERSAL DRILLING APPARATUS EQUIPPED WITH MEANS FOR RAPID RAISING OF THE DRILL STRING

Abstract: 1. Universal drilling machine, for operations of drilling, soil-sampling or test-boring, comprising : a telescopic derrick constituted by a fixed external mast (7) and a movable mast (8) mounted with a capability of sliding at the interior of the mast (7), a raising and lowering ram (10) coupling the lower part of the external mast (7) and the upper part of the internal mast (8), a drilling head (19-20-21-27) movable and guided along the external mast (7) and transmission members (18) coupling the upper part of the internal mast (8) and said drilling head the ascending or descending movements of which result from the lifting or lowering respectively of said movable internal mast (8), under the action of said ram (10), characterized in that it comprises means (15) for instantaneous coupling and uncoupling of the transmission members (18) providing the coupling of the drilling head (19, 20, 21, 27) and the movable internal mast (8) of the telescopic derrick, the upper end of which is provided with one or more pulleys (14a, 14b) about which there can run a lifting cable (31) coupled to an attachment device (30) carried by a fixed element (1) of the machine.

Description: Machine de forage polyvalente dotée de moyens de remontée rapide du train de'tiges. La presente invention concerne une machine de forage polyvalente dotée de moyens de remontee rapide du train de tige et utilisable aussi bien - dans les domaines de la recherche d'eau, de la recherche mi ni ère par prélèvement de sédiments (sondages economiques), de la géothermie et de la sismologie ; - - que dans le domaine de la recherche de minerai avec une grande precision d'interprétation nécessitant un carottage continu ou partiel des zones géologiques à identifier en vue de leur exploitation future. Jusqu'à ce jour, il entait indispensable de mettre en oeuvre deux machines très differentes l'une' de l'autre, pour operer dans les deux categories de travaux ci-dessuse En effet - dans le premier cas, il était necessaire de disposer d'une machine équipée d'une tête de forage travaillant de O à ioo tours/minute avec un couple de 1.000 à 1.500 m/kg, de telles machines devant être dotées d'une puissance de relevage de 15 à 45 tonnes, nécessaire pour remonter le train de tiges dont le poids peut atteindre de 10 à 30 tonnes pour oeuvrer à des- profondeurs allant jusqu'à 1.500 mètres ; ; une telle puissance etant absolument indispensable pour relever ledit train de tiges et avoir la marge de sécurité souhaitable pour passer les zones de coincement posslble ; - par contre, pour la seconde catégorie de travaux, la tete de forage doit pouvoir atteindre une vitesse de rotation de 500 ài.000 t/mn avec un couple de 100 à 120 m/kg, et il est essentiel que l'on puisse procéder à des remontées rapides et très puissantes des trains de tiges lorsqu'on effectue des carottages lors desquels il est parfois nécessaire. de remonter l'outil (diamant ou. autre) pour cause de détérioration, celui-ci se trouvant quelquefois a des profondeurs très importantes allant de 200 a 1.500 mètres. Pour l'exécution des deux categories de travaux susmentionnés, il est connu d'employer deux machines différentes ayant une structure de base commune comprenant : une flèche télescopique constituée par un maJt extérieur fixe et un mât mobile monté avec une aptitude de glissement à l'intérieur de ce dernier, un puissant vérin reliant la partie inférieure du màt extérieur à la partie supérieure du mat intérieur, une tête de rotation mobile et guidée le long du mât extérieur et des moyens de traction de ladite tête de rotation dont les déplacements ascendants ou descendants resultent de l'allongement ou de la rétraction, respectivement, du mât intérieur mobile (brevet allemand N 1.159.880), sous l'effet dudit vérin. Ces machines permettent la remontée du train de tiges, mais à un rythme trop lent dans les conditions actuelles d'exploitation, de sorte que lton est conduit a installer des trépieds auxiliaires de grandes dimensions équipés de treuils pour accélérer la remontée des trains de tiges, surtout lorsqu'on procède à des carottages. D'autre part, les moyens de traction de la tête de rotation le long de la flèche telescopique sont constitués par des channes ou par des câbles, ce qui, dans le domaine des travaux de carottage, ne permet pas un entratnement de ladite tête avec la precision d'approche tndts- pensable, particulière à ces travaux, compte tenu des relAchement de la tension desdits cibles ou chanes, La présente invention a pour objet une machine de forage polyvalente apte à être utilisez pour les deux catégories de travaux susmentionnés de sondage et de carottage et permettant une remontee rapide et très puissante du train de tiges. La machine de forage selon l'invention comprend des moyens d'accouplement et de desassemblage instantanes des organes de transmtssion assure rant a liaison de la tête de forage et du mât intérieur mobile dont le sommet est équipé d'une ou plusieurs poulies sur lesquelles peut s'enrouler un câble fixé à un élément fixe de ladite machine, de sorte qu'après effacement latéral de ladite tête de forage et libération desdits organes de transmission, ledit màt intérieur mobile désaccouplé puisse entre utilisé comme un bras de levage permettant la remontée rapide du train de tiges, a l'aide dudit câble. Selon une autre caractéristique, les organes de transmission reliant la tête de forage et la partie supérieure du mât intérieur mobile de la flèche telescopique, comprennent deux bras latéraux de fonçage et de relevage montes avec une aptitude de glissement le long du mat extérieur et fixés, par leurs extremites opposees, d'une part audit chariot de ladite tête- de forage et, d'autre part, à ladite partie superieure du mat mobile. Selon une autre caracteristique, les moyens permettant l'accouplement et le desaccouplement du chariot portant la tete de rotation et de la partie supérieure du mat intérieur mobile, comprennent deux vérins à double effet portés par ladite partie supérieure et dont les tiges mobiles sont susceptibtes d'occuper deux positions, soit une première position émergente d'accouplement suivant laquelle elles sont engagees dans des perçages ménagés b la partie supérieure des bras de fonçage et de relevage, et une deuxième position retractée de désaccouplement selon laquelle elles sont retirées desdits perçages. La machine dotee des caracteristiques précitees présente de nombreux avantages - pourvue d'une tête de forage hydraulique adéquate, elle permet d'effectuer deux sortes de travaux qui, jusqu'a.présent, necessitaient deux appareils totalement differents l'un de l'autre et, dans le cas des opérations de carottage, l'utilisation d'un matérlel auxiliaire de remontée du train de tiges ; - elle est simple, puissante, peu onéreuse, polyvalente et peut être utilise par une main d'oeuvre relativement peu spécialisée ; ; - elle peut autre instantanément convertie en appareil de levage permettant une remontée rapide et très puissante du train de tiges , - l'entratnement de la tête de rotation, aussi bien lors du fonçage que du relevage, s'effectue en relation directe avec le vérin principal, ce qui confère a ces mouvements, la souplesse d'approche indispensable que nécessitent les travaux de carottage - sa relative légèreté autorise son installation sur des vehicules tous terrains legers et de gabarit réduit. Ces buts, caractéristiques et avantages, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description qui suit et des dessins annexes dans lesquels La figure 1 est une vue de face simplifiée de la machine polyvalente selon l'invention illustrée en situation de forage (sans le train de tiges) et dont la flèche est représentée dans son état rétracté suivant lequel la tete de rotation occupe une position basse. La figure 2 est une vue de c8te de la figure 1, la machine de forage étant représentée montée sur un camion automobile dont seule la partie arrière porteuse équipée de vérins de stabilisation est illustrée. La figure 3 est une vue de face, à échelle plus réduite, de ladite machine dont la flèche est représentée en position d'allongement maximum. La figure 4 est une vue de cté de la figure 3. La figure 5 est une vue analogue à la figure 3 et représentant la machine en position de remontée du train de tiges, la tête de rotation etant en position "effacée". La figure 6 est une vue de c8té de la figure 5e La figure 7 est une vue de face et en coupe axiale de la partie superieure de la flèche de la machine représentée en position retractée et en situation de forage. La figure 8 est une vue en plan et en coupe suivant la ligne 8 - 8 de la figure- 7, La figure 9 est une vue de coté, avec coupe partielle, de la partie inferieure de la machine, la tette de forage se trouvant en position basse. La figure 10 est une vue en plan et en coupe, à plus grande-écheïie, suivant la ligne 10 - 10 de la figure 9, le tracé en traits interrompus illustrant la position "effacée" du bâti portant la tête de rotation. On se reporte auxdits dessins pour décrire un exemple de réalisation avantageux de la machine de forage polyvalente selon l'invention. Cette machine est plus particulièrement destinée à I'exécutton de forages, sondages ou carottages pouvant atteindre de grandes profondeurs, ctest-Åa-dire à travailler suivant une direction verticale. Pour cette raisonS sont employées, dans la suite du présent exposé, des expressions telles. que "partie inferieure", "partie supérieure", "base", "sommet", "mât", etc... Il est cependant évident qu'il ne s'agit pas d'expressions limitatives, la machine suivant l'invention pouvant, si necessaire, travailler dans des directions inclinées > voire horizontales. comme on le comprendra baisement. La machine revendiquée comporte un montant-support 1 avantageusement constitue par une robuste poutre metallique tubulaire, de section quadrilaterale, par exemple rectangulaire. La base de ce montant-support est pourvue d'un vérin 2 formant pied permettant l'appui de la machine sur le sol. Comme indique précédemment, cette dernière peut être montée sur un camion automobile 3 et, dans ce cas, le montant-support est articule, à l'aide, de tous moyens appropriés, d'une part, dans sa partie inférieure, sur des flasques 3a rigidement solidaires du châssis du camion et d'autre part, dans sa partie supérieure à l'extrémité extérieure de la tige de deux vérins de positionnement 4 eux-memes articulés par l'extrémité posterieure de leur corps, sur ledit chassies. Ces vérins permettent de placer la machine en position verticale de travail, ou en position inclinée de transport ou de garage. Au voisinage de sa base, le montant-support 1 est rigidement solidaire de la table de rotation 5. laquelle comporte, communement, un orifice pour le passage et le centrage de la tige de forage ou du train de tiges. D'autre part, ledit montant-support porte > a son sommet, une plaque 6 de maintien et de guidage, rigidement fixée par soudure ou autrement sur ce dernier. La machine comporte une- flèche télescopique comprenant un mat exterieur fixe 7 et un mât mobile 8 monte avec une aptitude de coulissement a I'interieur dudit mAt extérieur. Les mâts extérieur 7 et intérieur 8 sont, de manière interessante, constitués par des poutres métalliques tubulaires, de section quadrilatérale de préférence rectangulaire, et présentant la robustesse nécessaire, Le mat extérieur 7 est rigidement solidaire, au voisinage de sa base, de la table de- rotation 5 qui présente, par exemple, une ouverture pour le passage de l'extrémité inférieure dudit mât extérieur dont la partie supérieure traverse une ouverture ménagée dans la plaque de maintien et de guidage 6 solidaire du montant-support 1. Dans l'extrémité inférieure du mât extérieur 7, est fixe, au moyen d'un axe 9 ou autrement, l'extrêmité postérieure du corps 10b d'un vérin hydraulique 10 de forte puissance, logé a l'intérieur du mât intérieur 8 (figure 9) et dont la tige 10a est assujettie, au moyen d'un axe 11 ou autrement, à la partie supérieure de ce dernier, ledit axe reposant* par exemple, dans des coussinets 12 dont est pourvue, intérieurement, ladite partie supérieure (figure 7). Le mat intérieur 8 a une longueur à peine inférieure à celle du mat extérieur 7 et la longueur du verin de fonçage et de relevage 10 reliant Ta base dudit mt extérieur à la partie supérieure dudit mat intérieur est telle que ce dernier émerge à la partie superieure du mat extérieur, sur une hauteur d'une vingtaine de centimètres environ, Torsque ledit verin est en position retracée (figures 1, 2 et 7). D'autre part, la hauteur ou longueur des mâts extérieur 7 et intérieur 8 peut être déterminée en fonction de la nature des travaux auxquels est destine la machine et de la longueur des éléments de tige de sondage que l'on souhaite utiliser, Sur le sommet du mat intérieur 8 est rigidement fixée, par exemple par soudure, une plaque support 13 sur laquelle sont installées deux poulies I4a - 14b. Cette plaque-support est avantageusement réalisée en deux parties, soit un élément périphérique 13a constitué par une t81e de forte épaisseur et entourant le sommet du mat intérieur sur lequel elle est soudée, et un élément central 136 d'épaisseur moins importante reposant sur ledit sommet et fixé sur ledit élémeflt périphérique, par exemple au moyen de vis (figure 7). La partie supérieure du mat intérieur mobile porte deux vérins d'accouplement 15 disposés en alignement, de manière opposée. Ces verins sont placés transversalement, leur axe étant perpendiculaire à l'axe du vérin principal 10 assurant Tes mouvements d'allongement et de rétraction de la flèche de la machine. Les corps 15a desdits vérins sont fixés, par exemple au moyen de vis, sur les côtés de l'extrémité supérieure du mat intérieur qui présentent des ouvertures pour le passage desdits corps de vérins lesquels sont, par ailleurs, logés dans. des pièces de soutien 16a,16b rigidement fixees a l'intérieur de ladi.te extrérnté supérieure. Les verins d'accouplement 15 sont des vérins hydrauliques à double effet, et ils fonctionnent de manière parfaitement synchronisée, grace à un système de distribution approprié dont on a seulement représente (figure 10) les conduites verticales télescopiques d'alimentation 17a - 17'b lesquelles sont disposées de part et vautre du verin 10. Le. tube extérieur fixe 1Tc desdites conduites este par exemple, soudé sur le corps dudit vérin, tandis que le tube interieur 17d mobile connecté aux verins 15 suit les mouvements de l'élément mobile de la flèche télescopique. En position d'allongement, la tige 15b de chaque. vérin d'accouplement, est engagez dans. une ouverture circulaire 18a que presente l'extrémité supérieure d'un bras de traction et de fonçage 18 (figures 7 et 8) fixé, par son extremite opposée, au chariot 19 portant la tête de rotation 21 et le moteur hydraulique.20 d'entraînement de cette dernière (figure 9). Lorsque le vérin 10 est en position de rétraction (figures 1, 2 et 7), les tiges 15b des vérins d'accouplement 15 sont placées auvdessus de l'extrémité supérieure du mat extérieur 7. Les bras 18 sont disposés longitudinalement de chaque côté du mat extérieur 7 et. ils sont montes avec une aptitude de glissement le long dudit ils sont guides et maintenus dans des ouvertures latté ralles Ga de forma complémentaire dont est pourvue la plaque 6, ces ouvertures étant dimensionnées pour que. lesdits bras puissent coulisser facilement, avec un jeu minimum. Les axes ou centres des bras 18, des mats extérieur (7) et intérieur (8) de la. flèche télescopique,. et du vérin 10, sont disposés dans le même plan P-P, comme le montre la figure 8. Afin d'éviter que les tiges 15b des vérins d'accouplement 15 ne soient soumises à des efforts de torsion trop importants, dans la position d'entraînement des bras 18, elles sont également engagées dans des plaques verticales de traction 22 disposées sur le c8té extérieur desdits bras et qui présentent une ouverture 22a pour le passage de ladite tige. Ces plaques de traction ont, par exemple, une forme en T et sont solidaires, chacune, par leur partie supérieure, d'une cornière 23 reposant sur l'élément périphérique 13a de la plaque-support 13 sur lequel elle est fixée par soudure ou autrement. Lesdites plaques de traction traversent des ouvertures latérales 13c ménagées dans ladite plaque-support, et sont disposées dans des plans verticaux passant à Itextérieur des plans verticaux dans lesquels sont compris les bras 18. Dans un but de parfait ajustage, les bras 18 peuvent être exécutés en deux portions rigidement assemblées par vissage ou autrement, soit une première portion haute 18b- de grande longueur constituée par une robuste poutre métallique de section rectangulaire, allant de l'extrémité supérieure jusqu 'à proximité du chariot 19 supportant la tête de rotation 21, et une seconde portion basse 18c de faible longueur constituée par une barre métallique assuJettie, par son extrémité inférieure, audit chariot (figure 9)* Les bras de traction et de fonçage 18 sont fixés, par exemple au moyen de vis 24, sur les faces latérales du chariot 19. Ce dernier est équipé, de façon classique, de galets 25 et 26 favorisant son coulissement le long du mat extérieur T de la flèche télescopique. Le-b ti 27 portant la tête de rotation 21 et son moteur hydraulique 20 d"entranement, est fixe, de maniere connue, au moyen d'une articulation 28, sur l'un des cotes du chariot 19, de façon a permettre l'effacement latéral de l'ensemble de la tête de forage. D'autre part, le chariot 19 et le 6Wti 27 sont pourvus de'moyens-compIémentaires permettant l'immo- bilisation de ce dernier en position de forage, par exemple au moyen d'une broche de verrouillage 29. A sa partie supérieur, le montant-support I est équipé d'un dispositif diattache 30 lequel peut etre avantageusement d'un genre permettant l'enroulement et le déroulement d'un câble de levage 31 fixe, de marnière réglable, par ltune de ses extrémités, audit dispositif, et dont l'ex- tremité libre peut être dotée, à demeure ou de manière ' amovible, d'un dispositif de jonctton 32 connu en sot et permettant un assemblage et un désassemblage rapides aux éléments ou allonges du train de tiges 33. Le dispositif d'attache 30 peut entre constitué par un treuil ou par un vérin télescopique. On conçoit bien le fonctionnement de la machine de forage qui vient d'être décrite, En position de forage, les tiges 15b des verins d t accouplement 15 sont sorties et engagees dans les ouvertures 18a et 22a des bras 18 et des plaques de traction 22, respectivement. Dans ces conditions,. on comprend que la mise. en extension du verin 10 assure la translation ascendante du mât intérieur 8 et, corrélative- menti l'elevation. de la téta da forage 19-20-21-27 hissée par les bras 18, le long. du mat extérieur 7 ; le chariot 19 de ladite tête de forage s 'arrêtant au-dessous de la.plaque 6 de maintien et de guidage, lorsque ledit verin est en position d'allongement maximum (figures 3 et 4). Inversement, l'escamotage de la tige du vérin 10 assure l'abaissement du mdt intérieur et la descente de la tête de forage dont le chariot est immobilisé au-dessus de la table de rotation 5 lorsque la tige dudit verin est en fin de course "rentrée", Pour convertir la machine de forage en appareil de levage apte à assurer une remontée rapide-et.putssante du train de tiges, il suffit : - de déverrouiller la tête de forage 20-21-27 et de la pivoter sur le côté en position d'effacement ; - de rentrer les tiges 15b des vérins 15, ce qui a pour effet de désolidariser le mSt intérieur 8 et les bras 18 ; - de derouler le cible de levage 31 et de le faire passer sur les poulies 14a - 14b. La flèche telescopique étant en position rétractée, il est possible d'assujettir l'extrémité libre du câble 31 à l'extrémité superieure du train de tiges émergeant du sol, par exemple au moyen du dispositif de jonction 32 équipant ladite extrémité du câble, On conçoit que la mise en extension du vérin 10 provoque l'élévation du mat intérieur 8 de la flèche, laquelle entratne la remontée du train de tiges (ou autre objet fixe à llextremite du câble 31 b une vitesse deux fois supérieure à celle du mAt intérieur Le complet déploiement de la flèche (figures 5 et 6) permet de remonter une longueur du train de tiges 33 deux fois supérieure a celle qui est mise en oeuvre lors des opérations de forage et qui est fonction de la longueur du mEt extérieur de ladite flèche. On n'a pas décrit, ni représenté, pour ne pas charger inutilement le présent exposé et les dessins annexés, certains dispositifs qui complètent habituellement les machines de forage ou de sondage, tels qu'aiimentateur, aspirateur de poussière, verin auxiliaire utilisé pour le desaccouplement des tiges du train de tiges, etc..., ces dispositifs. etant bien connus de l'homme de l'art. Dans le même esprit, on n'a pas jugé utile de decrire et d'illustrer les sources de production de fluides sous pression regroupées sur le chdssis du véhicule porteur et nécessaires au fonctionnement des divers verins, de la tête de rotation et de l'outil de forage, ni les différentes commandes de ces organes, ni les conduites de distribution, lesquelles sont réalisées de manière classique.

Claims: Revendications 1. - Machine de forage polyvalente pour travaux de forage, sondage ou carottage, comprenant : une fleche-teescopique constituée par un mât extérieur fixe (7) et un mât mobile (8) mont avec une aptitude de glissement à l'intérieur de ce dernier, un vérin de relevage et de fonçage (10) reliant la partie inférieure du mat extérieur et la partie supérieure du mât intérieur, une tête de forage (19-20-21-27) mobile et guidée le long du mSt extérieur et des organes de transmission (18) reliant la partie supérieure du mat intérieur et ladite tête de forage dont les déplacements ascendants ou descendants résultent de T'élévation ou de' l"abaissement, respectivement, dudit mat intérieur mobile, sous lteffet dudit vérin, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (15) d'accouplement et de désaccouplement instantanes des organes de transmission (18) assurant la liaison de la tette de forage et du màt intérieur mobile de la flèche télescopique dont le sommet est équipé d'une ou plusieurs poulies (14a, 14b) sur laquelle ou lesquelles peut s'enrouler un cible de levage (31) assujetti à un dispositif d'attache (30) porte par un élément fixe (1) de la machine. 2, - Machine de forage polyvalente suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les organes de transmission reliant la tête de forage (19-20-21-27) et la partie supérieure du mat intérieur mobile (8) comprennent deux bras latéraux de fonçage et de relevage (18) montés avec une aptitude de glissement Te long du mat extérieur fixe (7). 3 - Machine de forage polyvalente selon la revendication 2, caracté- risée en ce que les bras latéraux de fonçage et de relevage (18) sont fixés de manière permanente, par leur extrémité inférieure, sur les côtés du chariot (19) portant la tête de rotation, tandis que leur extrémité opposée est agencee pour coopérer avec les moyens dXaccouple ment et de désaccouplement instantanes (15). 4. - Machine de forage polyvalente suivant la revendication 3, caracté- risée en ce que les moyens d'accouplement et de desaccouplement des bras de fonçage et de relevage (18) comprennent deux verins à double effet (15) portes par a partie supérieure du mât interieur mobile (8) et dont les tiges (15b) sont susceptibles d'occuper deux positions, soit : une première position emergente dans laquelle elles sont enga géies dans des perçages (18a) ménagés à 'la.partie -supérieure desdits bras de fonçage et de relevage, ou une deuxième position retractee suivant laquelle elles sont retirées desdits perçages. 5. - Machine' de forage polyvalente selon la revendication 4, caracté- risee en ce que ira partie supérieure du mat intérieur mobile (8) porte des plaques latérales (22) disposées sur le côté exterieur des bras de fonçage et de relevage lesdites plaques comportant des ouvertures (22a) ménagées en regard des perçages (18a) et des tiges (15b) des vérins d'accouplement (15) lesquelles, en position "sortie", traversent lesdits perçages. (18a) desdits bras et sont engagées dans lesdites ouvertures , - Machine: : de forage polyvalente selon l'une quelconque des revendications 2 a 5, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (6 6a) de guidage et de maintien des bras de fonçage et de relevage. 7 --Machine de forage polyvalente selon la revendication 6, caracterisee en ce que les moyens de-guidage et de maintien des bras de fonçage et de relevage, sont constitués par une plaque (6) solidaire de la partie haute d'un montant support fixe (1) et servant d'entretoise supérieure reliant ledit montant-support et le mat exterieur fixe (7) de la flèche télescopique, ladite plaque comportant des ouvertures t6a) dimensionnees pour autoriser le coulissement desdits bras, avec un jeu minimum. 8. - Machine de forage polyvalente suivant la revendi-cation 1, caractérisée en ce que le cible de levage est assujetti a un dispositif (30) permettant son enroulement et son déroulement, ainsi qu un réglage de sa longueur. 9. - Machine de forage polyvalente selon la revendication 4, caractérisee en ce que le dispositif d'alimentation des vérins d'accouplement (15) comprend deux tiges télescopiques (17a, 17b) logées a l'intérieur du mat mobile (8) > le tube extérieur (17c) de ces tiges d'alimentation étant fixer tandis que le tube intérieur (17d) suit les mouvements d'élévation et de descente dudit mât intérieur. 10* - Machine de forage suivant l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisée en ce que les axes ou centre du verin de relevage et de fonçage (10), des mats extérieur (7) et intérieur (8) de la flèche telescopique, et des bras de transmission (18) sont disposés dans le même plan (P-P)*

Inventors: AIRAUDO, ANTONIN
Applicants: MIGLIETTA, MIREILLE LUCIE INES VEUVE AIRAUDO, ANTONIN
Application year: 1984
Main classification: E21B7
IPC codes: E21B19, E21B7