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DISPOSITIF POUR OBTURER UN CAROTTIER MONTE DANS UN EQUIPEMENT DE SONDAGE
La präsente invention est relative à un dispositif pour obturer une extrémité d'un tube carottier monte dans un equipement de sondage minier ou petrolier.
Il est connu de monter ä l'extrémité d'un train de tiges creuses rotatives servant à effectuer des sondages, notamment dans des couches geologiques minières et pétrolières, un carottier permettant de prélever des échantillons de ces couches, par exemple ä des fins d'analyse.
Ce carottier, qui peut etre, par exemple, du type décrit dans le brevet belge n 875 016, comprend d'une part, un tube extérieur rotatif constitue d'un train de tiges et dont l'extrémité inférieure porte une couronne de soudage et, d'autre part, un tube intérieur non rotatif dont l'extremiste inférieure est pourvue d'un cône extracteur.
Dans un tel carottier, un liquide de forage est injecté à partir de la surface ä l'intérieur du train de tiges.
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Au début du forage, il est indispensable de conduire le liquide de forage au travers du tube carottier en vue de déblayer et de nettoyer les éboulis qui se sont accumulés au fond du puits lors de la remontée et de la descente du train de tiges de forage.
Une carotte repräsentative du terrain ne peut en effet etre prise que lorsque l'operation de deblayage
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est terminee.
Pendant le découpage d'une carotte, on prevoit généralement de dévier le flux du liquide de forage vers l'extérieur du carottier dans un espace annulaire entourant ce dernier. Cet espace annulaire est délimite par la paroi intérieure de la tige inferieure du train de tiges creuses de forage et la face exterieure du tube intérieur du carottier.
Dans les équipements de sondage ou forage connus, on dévie le flux du liquide de forage en lançant librement, à -partir de l'extrémité du train de tiges opposee au carottier, une bille destinee à venir obturer un siege prévu ä l'extremité supérieure du carottier.
Pour accélérer la descente de la bille, il est connu d'augmenter le debit du liquide de forage.
En pratique, malgre un débit du liquide de forage pouvant atteindre 1500 litres par minute, la descente de la bille dans un train de tiges creuses d'une longueur d'environ 3000 mètres peut prendre environ 20 minutes.
De plus, on a constata qu'à la fin de sa chute, la bille s'applique brusquement sur le siege susdit et provoque dans la colonne descendante de liquide de forage un coup de bélier qui endommage le carottier et
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eventuellement le puits de sondage.
La présente invention vise à remedier ä ces inconvénients et a pour objet un dispositif permettant d'obturer rapidement le siege prévu a l'extrémité d'amont du carottier, sans provoquer de coup de bélier dans la colonne de liquide de forage.
Le dispositif suivant l'invention pour obturer l'extrémité d'amont d'un carottier est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend un element de tube semblable ä ceux constituant le train de tiges et dans l'alésage duquel est guidé un coulisseau livrant passage à un liquide de forage sous pression, ce coulisseau étant entraîné à effectuer un premier déplacement sous l'effet d'une augmentation de debit du liquide de forage, entre une position initiale de repos et une position stable éloignée dans laquelle il maintient un element d'obturation éloigné d'un siege prévu a l'extrémité du carottier et ramen6 sous l'effet d'une diminution ulterieure de débit à sa position initiale, dans laquelle il permet ä cet element d'obturation de s'appliquer sur le siege precite.
Bien que l'element d'obturation précité puisse etre monté sur le coulisseau, on préfère, selon une particularité de l'invention, que cet élément d'obturation seit constitue d'une bille metallique pleine distincte du coulisseau.
Selon une autre paricularité de l'invention, le coulisseau est muni à une extrémité d'un appendice dirige vers l'extrémité susdite du carottier, cet appendice etant muni d'une protuberance ayant une forme telle que dans la position initiale du repos du
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coulisseau, l'appendice retient la bille dans une première partie de l'alésage de l'element tubulaire tandis que, dans la position stable eloignee, la protuberance retient la bille dans une deuxième partie de l'alésage de l'élément tubulaire et permet de larguer la bille vers le siège du carottier lorsque le coulisseau occupe ä nouveau sa position initiale.
Dans une forme de realisation du dispositif suivant l'invention, l'appendice précité du coulisseau presente une extrémité libre cylindrique coaxiale ä l'alesage de l'element tubulaire. Cet alesage est constitue de parties cylindriques successives coaxiales, une première de ces parties ayant un diamètre sensiblement égal ä celui de l'appendice majore de deux fois le diamètre de la bille, une deuxième de ces parties ayant un diamètre superieur à celui de l'extrémité libre de la protuberance majoré d'au moins deux fois le diamètre de la bille, tandis qu'une troisième partie de l'alesage,
adjacente ä la deuxième partie de celui-ci et située du côte de l'extrémité précitée du carottier a un diamètre inférieur au diamètre de l'extrémité libre precitee de l'appendice majore de deux fois le diamètre de la bille, de telle manière que le coulisseau occupe une position initiale superieure stable de repos dans laquelle l'extrémité cylindrique de l'appendice permet, lorsqu'elle est engagée dans la deuxième partie de l'alésage, de retenir la bille dans la première partie de cet alésage et que le coulisseau occupe une position inférieure stable dans laquelle il permet ä la bille de passer de la première partie de l'alésage dans la deuxième partie de celui-ci et d'aller s'appliquer sur le siège du carottier lorsque le coulisseau revient à sa position initiale.
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présente invention est de preference, constitué d'un manchon présentant, d'une part, un orifice d'étranglement du flux de liquide de forage au voisinage de son extremit6 opposée ä celle portant l'appendice et d'autre part, une série de trous divergents de sortie du liquide hydraulique, situés au voisinage de son extremite portant l'appendice.
Un ressort sollicite en permanence le coulisseau ä se déplacer en sens oppose ä celui du liquide de forage.
Selon encore une particularité de l'invention, l'extremiste libre de l'appendice retient la bille dans une première partie de l'alésage susdit, située en amont de la deuxième partie de celle-ci, au moins jusqu'au moment où l'extremite libre de l'appendice s'engage dans la troisième partie de l'alesage.
D'autres particularites et détails de l'invention ressortiront de la description détai11ée suivante dans laquelle il est fait référence aux dessins ci-annexes qui montrent, ä titre d'exemple non limitatif, une forme de realisation d'un dispositif suivant l'invention.
Dans ces dessins : - la figure 1 montre, en coupe transversale, un dispositif suivant l'invention dans lequel un coulisseau occupe une position initiale de repos dans laquelle il retient une bille ; et - les figures 2 et 3 montrent egalement en coupe transversale, le dispositif suivant l'invention montre à la figure 1, dans lequel le coulisseau et la bille
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occupent des positions différentes, et - la figure 4 est une vue en coupe transversale analogue aux figures 1 ä 3, montrant le dispositif suivant l'invention dans lequel la bille obture l'extrémité d'amont du carottier.
Dans ces différentes figures, les mêmes signes de reference désignent des elements identiques.
La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif suivant l'invention désigné dans son ensemble par le signe de référence 1 dans lequel une bille 2, destinee à obturer l'extrémité d'amont 3 d'un carottier 4, en s'appliquant sur le siege 5 prévu pour la bille 2
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à ladite extrémité 3.
Le dispositif 1 comprend un element tubulaire 6 dans 1'alésage duquel est guidé un coulisseau 7 livrant passage ä un liquide de forage sous pression (direction de la flèche X). L'élément tubulaire"6 présente à son extrémité amont 8 un taraudage 9 dans lequel vient se visser une tige creuse 10 avantageusement munie d'une turbine 11 ou d'un moteur de fond de trou et ä son extrémité aval 12, un filetage 13 sur lequel vient se visser le carottier 4. La turbine 11 mise en rotation lors du passage du liquide de forage dans la direction de la flèche X, entraine en rotation le dispositif 1 ainsi que le carottier 4.
Le coulisseau 7 est constitue d'un manchon 14 présentant, d'une part, un orifice d'étranglement 15 du flux de liquide de forage au voisinage de son extrémité amont 16 et, d'autre part, une série de trous
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divergents 17 de sortie du liquide de forage situes au voisinage de son extrémité aval 18 portant un appendice 19. Le manchon 14 se termine, en amont de l'orifice d'étranglement 15 du flux de liquide de, forage, par une pièce en forme d'entonnoir 20 destinée à guider le flux de liquide vers l'orifice d'étranglement 15. Le manchon 14 présente une butee annulaire 21 sur sa face extérieure 22 au voisinage de son extrémité amont 16, cette butée 21 retenant en place une bride 23 d'une douille 24.
L'appendice 19 prevu au voisinage de l'extrémité aval 18 du manchon 14 est constitue d'une tige cylindrique 25 portant ä son extrémiste libre 26 adjacente au carottier 4 une protubérance en tête 27, celle-ci ayant la forme d'un cylindre 28 munie ä chacune de ses extrémités d'une sortie tronconique 29,30.
Le manchon 14 formant coulisseau présente au voisinage de la piece en forme d'entonnoir 20 une surface exterieure cylindrique 31 adjacente ä la surface intérieure 32 de l'element tubulaire 6, cette surface 31 présentant une rainure annulaire 33 dans laquelle est place un joint d'etancheite 34.
L'élément tubulaire 6 présente un passage 35 constitue de l'amont vers l'aval d'une partie cylindrique 36 qui est en contact avec la surface extérieure cylindrique 31 ayant un diamètre inférieur ä celui de cette partie 36, de manière ä former un rebord annulaire 38 sur lequel prend appui une bride 39 munie d'un rebord 40, d'un alésage 41 et enfin, ä son extrémité aval, d'une dernière partie cylindrique 42 ayant un diamètre supérieur au diametre de la bille 2.
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Dans l'alésage 41 se déplace la protuberance ou tete 27 du coulisseau 7, ce coulisseau 7 se dêp1açant sous l'effet d'une perte de charge due ä une variation du débit du liquide de forage. Lorsque le débit du liquide de forageest important, la perte de charge due au passage du. fluide à travers l'étranglement 15 du coulisseau 7 est important et le coulisseau 7 se déplace dans le sens du flux (direction X) du liquide de forage à 1'encontre de l'action d'un ressort à boudin 43 situé entre la bride 23 de la douille 24 prenant appui sur la butée 21 du coulisseau 7 et le rebord 40 de la bride 39 prenant appui sur le rebord annulaire 38 de l'element tubulaire 6.
L'alésage 41 est constitue des parties cylindriques coaxiales 44, 45, 46 reliees entre elles ainsi qu'avec les parties cylindriques 42 et 37 par des parties tronconiques 47,48, 49, 50.
La partie cylindrique centrale 45 de l'alésage 41 a un diamètre superieur ä celui de la protubérance ou tête 27 de l'appendice 19 majore de deux fois le diamètre de la bille 2, tandis que la partie cylindrique 46 de cet alésage 41 a un diamètre inferieur au diamètre de la protubérance ou tête 27 majoree de deux fois le diamètre de la bille 2, de telle sorte que la tete 27 permet, lorsqu'elle est engagée dans la partie cylindrique 46, à la bille 2 d'etre retenue dans la partie cylindrique centrale 45, tandis qu'elle permet, lorsque'elle est extraite de cette partie cylindrique 46, la bille 2 de passer de la partie cylindrique centrale 45 dans la partie cylindrique 46 et d'aller s'appliquer sur le siege 5 du carottier 4 (voir figures 3 et 4).
La partie. cylindrique 44 située en amont de la
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partie cylindrique centrale 45 de l'alésage 41 a un diamètre inferieur au diamètre de la protubérance ou tete 27 majore de deux fois le diametre de la bille 2 mais superieur au diamètre de la tige 25 majorée de deux fois le diamètre de la bille 2, de telle sorte qu'une bille 2 introduite dans la partie cylindrique amont 44 par un trou 51 muni d'un bouchon amovible 52 reste dans cette partie 44 au moins jusqu'au moment oü la tete 27 s'engage dans la partie cylindrique 46 de l'alésage 41 (voir figures 2 et 3). L'extrémité aval 53 de la turbine 11 sert d'arrêtoir pour le coulisseau 7.
Le carottier 4 peut etre constitué d'un tube 54 exterieur muni d'une couronne de forage 55, dans lequel est logee une tige creuse 56 presentant à sa partie amont 55 le siege 5 pour la bille 2.
Lorsque la bille 2 obture l'extremiste 3 de la tige creuse 56, le flux de liquide de forage est guidé dans des orifices divergents 57 vers l'espace annulaire 58 situe entre le tube extérieur 54 et la tige creuse 56, et l'opération de carottage peur avoir lieu.
Une description sequentielle du procédé de carottage mettant en oeuvre le dispositif décrit cidessus est illustre par les figures 1 ä 4.
Comme illustré à la figure 1, une bille est introduite par le trou 51 dans la partie cylindrique amont 44 de l'alésage 41, avant d'entamer l'opération de sondage c'est à dire avant d'introduire le train de tiges et le tube de carottier dans le puits de forage.
La descente du train de tiges entraîne des éboulis dans le puits de forage.
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Avant de prélever une carotte de sondage, il convient de faire passer le liquide de forage (direction de la fleche X) ä travers le carottier en vue de déblayer et d'eliminer les éboulis qui se sont accumulés au fond du puits de sondage lors de la descente et de la remontée du train de tiges creuses de forage. En effet,
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une carotte repräsentative de la couche géologique ä analyser ne peur être prélevee que lorsque cette opération de déblayage des éboulis a eu lieu.
Pour cette Operation de déblayage, le debit de liquide de forage est avantageusement regl ä 1900 litres par minute. Le rinçage s'effectue alors efficacement et la perte de charge creee dans l'orifice d'étranglement 15 et qui atteint environ 1 bar est légèrement trop faible pour repousser le coulisseau soumis ä l'action antagoniste du ressort ä boudin 43.
Lors du ringage, la force appliquée sur le coulisseau due ä la perte de charge dans l'étranglement est en equilibre avec la force de compression du ressort. Le débit de rincage cree une perte de charge qui ne provoque aucun deplacement sensible du coulisseau. Une interruption quelconque, par exemple accidentelle du rinçage du carottier, ne provoque pas non plus de deplacement sensible du coulisseau.
Lorsque l'opérateur juge que l'opération de rinçage est terminée. il augmente le debit de liquide de forage jusqu'a 2900 litres par minute pendant un court intervalle de temps, créant une perte de charge d'environ 3 bars dans l'orifice d'étranglement 15 du coulisseau 7.
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Cette perte de charge provoque le deplacement du coulisseau 7 dans le sens du flux de liquide de forage (flèche X) ä l'encontre de l'action du ressort ä boudin 43. Ainsi, la tête 27 de l'appendice 19 du coulisseau 7 se déplace dans le sens (X) du flux de liquide et, lorsqu'elle est engagée dans la troisième partie 46 de
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l'alesage 41, elle permet ä la bille 2 introduite au prealable dans la première partie 44 disposée en amont de l'alesage 41 par l'orifice 51 muni du bouchon 52 de passer de la première partie amont 44 dans la deuxième partie 45 de l'alésage 41 (voir figures 2 et 3).
Lorsque l'operation de déblayage du fond du puits est termine et lorsque la bille 2 se trouve dans la deuxième partie 45 de l'alésage 41, le debit du liquide de forage est réduit ou éventuellement arrete, de sorte que par l'action du ressort 43 sur le coulisseau 7 et par la perte de charge faible ou nulle dans l'orifice d'étranglement 15 du coulisseau 7, ce coulisseau se déplace dans le sens de la flèche Y. Ainsi la tete 27 du coulisseau 7 est extraite de la troisième partie cylindrique 46 de manière ä permettre le passage de la bille 2 de la deuxième partie 45 dans la troisième partie 46. La bille 2 peut des lors, par gravité, aller s'appliquer sur le siege 5 du carottier 4 (voir figures 3 et 4).
Ce debit minimal ou nul permet d'éviter l'apparition d'un coup de belier qu'aurait pu provoquer un arret brusque du flux de liquide du debit de liquide de forage ä 1'intérieur du tube carottier.
Un tel coup de bélier est particulièrement néfaste dans un tube carottier de sondage parce qu'une déviation brusque du debit de liquide de forage se traduit par la
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création simultanée d'une dépression a l'interieur du tube carottier et d'une surpression ä l'extérieur du tube carottier.
L'apparition simultanée de la diminution de pression ä l'intérieur du tube carottier et de l'augmentation de pression à l'extérieur du tube carottier pourrait provoquer le flambage radial et l'écrasement du tube carottier qui comporte necessairement, comme on le sait, des parois minces.
Une fois, la bille appliquee sur le siege du carottier 4 comme illustre a la figure 4, l'operation de carottage peut avoir lieu.
Pour celle-ci, un débit de liquide de forage d'environ 1100 litres par minute peut etre nécessaire pour mettre en rotation, grâce ä la turbine 11, le carottier 4 ainsi que le dispositif suivant l'invention 1. Le fluide de forage est guidé par les orifices divergents 57 vers l'espace annulaire 58 du carottier 4, de maniere ä ne pas endommager la carotte prélevée. Un tel débit de 1100 litres par minute crée une perte de charge d'environ 0, 5 bar dans l'orifice d'étranglement 15 du coulisseau 7.
11 est evident que l'on peut utiliser d'autres carottiers que celui represente et décrit dans le présent mémoire. Ainsi, à titre d'exemple, on peut utiliser un carottier double tel que décrit dans le brevet belge 875 016.
Le dispositif suivant l'invention, le carottier, la turbine et les tiges creuses de forage sont avantageusement en acier, tandis que la couronne de
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forage contient de façon avantageuse des particules de matières abrasives telles que diamant, corindon, carbure de tungstène ou de silicium eventuellement agglomerees sous forme de plaquettes.
Au lieu de la bille 2, on peut utiliser un autre corps de révolution tel qu'un pointeau qui peut eventuellement etre solidaire du coulisseau.