<Desc/Clms Page number 1>
Couronne de trépan pivotante/inclinable pour foraqes dans le sol.
La présente invention concerne un appareil pour le forage vertical et le forage dirigé dans des formations souterraines. Plus particulièrement, l'invention concerne des trépans de forage destinés à des garnitures de forage dans le sol pour le forage à navigation.
L'aptitude à diriger une garniture de forage dans une direction préférée dans des formations terrestres a fait l'objet de travaux de mise au point depuis plusieurs décades. Au moins deux technologies sont requises.
En premier lieu, l'équipe de forage doit être capable de naviguer. C'est-à-dire que l'équipe doit être à même de préciser l'endroit où un trépan de forage au bas de la garniture de forage est situé en termes de direction, d'orientation en rotation et de distance. Au cours des dernières décades, la technologie de navigation au fond du trou a fortement amélioré l'aptitude à trouver la position et l'orientation exactes d'un outil au bas d'une garniture de forage.
La seconde exigence a trait à la technologie mécanique des outils au fond du trou pour orienter le trépan à l'extrémité de la garniture de forage en vue de forer dans une direction formant un certain angle avec une trajectoire rectiligne.
Au cours de ces dernières années, la technologie à navigation et la technologie de forage dirigé ont été utilisées dans un nouveau type de forage dans lequel une seule garniture de forage peut être utilisée pour forer des segments droits et des segments non linéaires du trou sans retirer ou"manoeuvrer"la garniture de forage pour remplacer des éléments d'assemblage situés au fond du trou.
Ce type de forage nouveau, généralement qualifié de"forage orientable"ou"forage à navigation", utilise à la fois une garniture de forage rotative et un moteur de fond (généralement un moteur à boue selon le principe de Moineau,
<Desc/Clms Page number 2>
quoique des turbines aient également été utilisées) pour faire tourner le trépan de forage indépendamment de la rotation de la garniture de forage. Un autre élément clé pour le forage à navigation est un moyen servant à orienter ou à incliner le trépan de forage sous un petit angle (typiquement de moins de 40) par rapport au moteur et à la garniture de forage surjacente.
Le forage à navigation est alors effectué avec une telle garniture de forage en orientant le trépan de forage et en travaillant au moyen de la seule rotation du trépan entraîné par son moteur pour forer une courbe, et en faisant tourner la garniture de forage en plus de l'entraînement du trépan par son moteur pour forer un trou rectiligne. Les premiers brevets concernant cette technique ainsi que divers assemblages de fond pour la mettre en oeuvre sont les brevets U. S. nO 4 465 147,4 485 879 et 4 492 276.
Le brevet US-A-4 465 147 (Feenstra et al., 1984) décrit un procédé et un moyen pour régir la trajectoire d'un trou foré, qui utilise un moteur de fond comportant un stabilisateur excentrique monté sur chaque extrémité de son carter. Ce système utilise le trépan de forage fixé à l'arbre de sortie du moteur hydraulique décalé dans le trou pour incliner le moteur hydraulique de manière à le désaxer par rapport à la garniture de forage principale. L'axe de rotation du moteur de fond fixé au trépan de forage et le trépan de forage lui-même effectuent un mouvement de précession lorsque la garniture de forage tourne en vue d'un forage rectiligne.
Le brevet US-A-4 485 879 (Kamp et al., 1984) décrit un procédé et un moyen pour régir la trajectoire d'un trou foré, qui utilise un moteur de fond comportant un carter accusant une tendance préférentielle à fléchir dans un plan longitudinal particulier. Comme dans le cas du brevet'147, l'assemblage de fond du brevet'879 provoquera un mouvement de précession du trépan de forage, éventuellement d'une amplitude moindre, mais avec un manque encore accru de prédictibilité dû à l'élasticité de flexion
<Desc/Clms Page number 3>
préférentielle accrue du carter du moteur.
Le brevet US-A-4 492 276 (Kamp, 1985) décrit un moteur de forage de fond et un procédé pour le forage dirigé de trous forés qui utilise une unité de palier inclinée pour supporter et incliner un arbre de sortie par rapport à l'axe du carter du moteur. De cette façon, l'axe central de l'arbre de sortie et l'axe longitudinal du carter du moteur s'intersectent au lieu d'être coïncidents.
En plus des brevets précités, le brevet US-A-4 667 751 (Geczy et al., 1987) décrit un système et un procédé pour le forage rotatif contrôlé qui utilise un carter coudé (unité d'inclinaison) fixé à une garniture de forage en dessous d'un moteur de fond. Des stabilisateurs sont utilisés au-dessus et en dessous du carter coudé avec une garniture de forage fixe pour régler la direction du trépan de forage en vue de forer un trou courbe ou un trou droit de la manière décrite plus haut. Un défaut notable de ce système, ainsi que d'autres assemblages de fond pour le forage à navigation, réside dans le forage d'un trou qui est surcalibré par rapport au calibre nominal du trépan de forage lorsque le moteur hydraulique et la garniture de forage sont tous deux entraînés en rotation.
Le brevet US-A-4 739 842 (Kruger et al., 1988) décrit un appareil permettant au choix un forage rectiligne ou dirigé de formations souterraines, qui dans certaines formes de réalisation est virtuellement identique à celui du brevet'751. Le brevet'842 décrit un moteur de fond comportant un arbre de sortie relié au trépan de forage par l'intermédiaire d'un seul arbre de sortie incliné ou d'un assemblage d'arbre présentant deux inclinaisons opposées pour réduire au minimum le décalage latéral du trépan de forage par rapport à la garniture de forage surjacente. Des stabilisateurs concentriques ou excentriques peuvent être utilisés.
Avec tous les assemblages de fond pour le forage à navigation, un changement de la direction de forage et le fait d'effectuer un forage non linéaire lui-même provoque
<Desc/Clms Page number 4>
des contraintes dans l'assemblage de fond, contraintes qui sont transmises au trépan de forage, provoquant une friction excessive entre le trépan de forage et la paroi du trou.
Comme décrit dans le brevet'842, lorsque la garniture de forage ne tourne pas, l'assemblage de fond avec le trépan de forage et les stabilisateurs définit des points sur une courbe dont le rayon détermine l'angle de courbure foré par l'assemblage de fond dans un mode de forage dirigé.
Lors de la rotation de la garniture de forage, l'assemblage de fond tourne excentriquement dans le trou foré. Le trépan de forage, bien que forant un trou qui est axialement en ligne avec la garniture de forage principale, fore un trou surcalibré. L'axe de rotation du trépan tournant sous l'action du moteur hydraulique de fond effectue un mouvement de précession autour de l'axe du trou foré droit.
Comme mentionné plus haut, l'approche de base du forage à navigation implique la présence d'une garniture de forage constituée de longueurs de tiges de forage assemblées par vissage et s'enfonçant dans le sol à partir d'un appareil de forage. La garniture de forage est fixée à une table de rotation ou à la tête d'injection d'entraînement sur l'appareil de forage. Dans le premier cas, la garniture de forage elle-même est clavetée à la table de rotation de
EMI4.1
telle façon qu'elle puisse se déplacer axialement à travers la table de rotation, mais qu'elle doive tourner avec elle.
Si une tête d'injection d'entraînement est utilisée, l'entraînement descend à mesure que la garniture de forage progresse. A mesure qu'un trépan de forage fixé à l'extrémité distale extrême de la garniture de forage progresse davantage dans la formation terrestre, des tiges de forage supplémentaires sont fixées à la garniture de forage et sont descendues dans le trou foré.
En vue de lubrifier les éléments, de sceller le trou pour le rendre étanche, de refroidir la face du trépan, d'entraîner les moteurs de fond et d'évacuer les débris de la formation terrestre en cours de forage, de la boue de forage est refoulée par pompage dans la garniture de forage.
<Desc/Clms Page number 5>
La tige de forage a un diamètre intérieur suffisant pour la circulation de la boue, débitant la boue par des orifices prévus dans la face de la couronne de trépan de forage. Les orifices prévus dans la face du trépan de forage peuvent diriger de nombreux jets de boue vers les éléments de coupe de la couronne de trépan.
Des passages destinés à acheminer la boue le long de la face de la couronne de trépan sont aménagés dans le trépan conjointement avec des canaux à débris le long de la partie de calibrage du trépan pour laisser remonter les débris dans le passage annulaire formé par la garniture de forage et la paroi du trou. La tige de forage étant d'un diamètre inférieur à celui de la partie de calibrage du trépan de forage, le passage annulaire formé entre la garniture de forage et la paroi du trou peut recevoir la boue dense qui entraîne et achemine les débris vers le haut en vue de leur séparation à la surface avant que la boue ne soit recyclée et renvoyée dans le trou.
Des pressions élevées sont requises pour pomper la boue de forage depuis la surface vers la face d'un trépan de forage, au bas d'une colonne de boue de plusieurs milliers de pieds (un pied égal 30 cm). Des débits de circulation élevés pour entraîner les débris et refroidir les organes de coupe impliquent des puissances en chevaux extrêmement élevées à ces pressions. Une énergie énorme parcourt le flot de boue. De plus, la pression hydrostatique au bas du trou est de plusieurs milliers de livres par pouce carré (100 livres par pouce carré égal 7 kg par cm2).
Le haut contenu énergétique du flot de boue à haute pression permet d'utiliser un second appareil moteur en plus du moteur qui fait tourner la garniture de forage depuis l'extrémité supérieure du puits. Un moteur hydraulique spécial, qui peut comprendre une turbine, mais qui est d'une manière générale un moteur du type fonctionnant selon le principe de Moineau, est monté dans la garniture de forage pour extraire de l'énergie du flot de boue. Le carter extérieur du moteur hydraulique de fond est monté de manière à tourner avec la garniture de forage,
<Desc/Clms Page number 6>
tandis qu'un arbre extérieur qui s'étend vers le bas à partir du moteur hydraulique tourne à une certaine vitesse angulaire par rapport à la garniture de forage.
Par conséquent, l'arbre de sortie du moteur hydraulique tourne à la vitesse angulaire de l'arbre de sortie par rapport à la garniture de forage plus la vitesse angulaire de la garniture de forage tournant par rapport à la formation terrestre.
Le concept essentiel du forage à navigation utilise un mécanisme au-dessus ou habituellement en dessous du moteur hydraulique dans la garniture de forage pour basculer ou incliner le trépan de forage d'un petit angle par rapport à l'axe du puits foré, normalement de l'ordre d'une fraction d'un degré jusqu'à quatre degrés. Pour forer dans une direction s'écartant de la trajectoire présente du trou foré, l'équipe de forage fait tourner la garniture de forage d'un arc de moins de 3600 pour orienter le trépan de forage relié à l'arbre de sortie du moteur hydraulique de fond. S'il n'est entraîné que par le moteur hydraulique, le trépan est pointé dans la direction de forage voulue. Dans cette orientation, la garniture de forage n'est pas entraînée en rotation, seul l'arbre de sortie du moteur hydraulique tourne.
Comme l'arbre de sortie du moteur hydraulique tourne, le trépan de forage coupe, taille, broie ou concasse la formation qui se trouve devant lui pour former une trajectoire de trou foré en forme d'un long arc.
C'est-à-dire que à mesure que le trépan de forage avance, le mécanisme de basculement ou d'inclinaison qui force le trépan à tailler d'un côté sous un angle par rapport à la garniture de forage suit le trépan dans le trou, et continue à forcer le trépan à tailler sous le même angle. Ainsi, le trépan de forage avance suivant un long arc de cercle jusqu'à ce que le forage soit dirigé dans une direction souhaitée. Après avoir foré un trou dirigé s'écartant suivant un arc de cercle d'une certaine trajectoire initiale pour aboutir à une orientation nouvelle souhaitée, la garniture de forage est entraînée en rotation, tandis que
<Desc/Clms Page number 7>
le moteur fait également tourner le trépan de forage de manière indépendante. Le trépan de forage fore alors droit devant lui.
Le retrait de la garniture de forage et son remplacement, qualifiés"de manoeuvre de remontée et de descente"est une solution onéreuse qui entraîne une perte de temps de forage et les techniques de forage à navigation atténuent la nécessité de prévoir des manoeuvres de remontée et de descente entre des sections droites et courbes du puits de forage. Ainsi, au lieu de démonter le matériel de forage angulaire de l'extrémité d'une garniture de forage, une équipe de forage recommence simplement à faire tourner la garniture de forage. Lorsque la garniture de forage tourne, sa propre rotation du moteur hydraulique et de l'unité d'inclinaison se superpose à la rotation du trépan par rapport au carter du moteur hydraulique et à la garniture de forage.
Ainsi, le trépan de forage entraîné par moteur est déplacé autour du périmètre extérieur du trou par la rotation de la garniture de forage.
Des trépans de forage sont conçus pour forer suivant une trajectoire colinéaire par rapport à un axe de rotation. En particulier, dans les trépans au diamant qui comportent des mises en diamant polycristallin comme éléments de coupe attachés à une face de trépan ou à des goujons faisant saillie sur la face de trépan, chaque élément de coupe devrait balayer une région spécifique de la formation à chaque rotation du trépan. Un modèle de trépan de forage prévoit une fixation directe à un moteur tournant coaxialement. Un moteur hydraulique à l'extrémité d'une garniture de forage qui ne tourne pas se rapproche des conditions nominales, de même que la rotation du trépan par la rotation de la garniture de forage si aucun mécanisme d'inclinaison n'est installé.
Dans ces cas, le trépan vient en contact avec la formation dans une orientation pour laquelle le trépan a été conçu. Chaque élément de coupe balaye la surface qu'il doit balayer, effectuant des balayages répétés à sa position diamétrale. Le long de son
<Desc/Clms Page number 8>
trajet de rotation, il avance à sa vitesse nominale de pénétration dans la formation ou à une vitesse proche de celle-ci.
Cependant, pour un forage droit avec un assemblage de fond de forage à navigation, la couronne du trépan tourne avec l'arbre de sortie du moteur hydraulique, mais l'axe de rotation partagé par l'arbre de sortie et la couronne de trépan effectue un mouvement de précession autour du trou de forage. Cela étant, un élément de coupe individuel sur le trépan ne continue pas à tourner à une position diamétrale constante dans le trou de forage. De plus, comme le trépan est incliné et désaxé par rapport au trou, chaque élément de coupe suit un trajet hélicoïdal irrégulier complexe dans la formation.
Par contre, un élément de coupe situé sur le nez d'un trépan à l'extrémité d'une garniture de forage vertical ou rectiligne doit tailler un anneau dans la formation terrestre à un rayon égal à la distance de cet élément de coupe par rapport à l'axe de rotation de la couronne de trépan. A chaque révolution, l'élément de coupe doit poursuivre dans cette même trace annulaire, visitant et revisitant ce même anneau à mesure qu'il continue à mordre dans la formation. De même, d'autres éléments de coupe tailleront suivant leur propre trajet de rotation avançant respectif. Sur le flanc ou la partie d'épaule d'une couronne de trépan, un élément de coupe travaille suivant une rainure qui avance, légèrement hélicoïdale. Le rayon correspond à la distance séparant l'élément de coupe de l'axe de rotation.
L'hélice progresse à la vitesse de pénétration du trépan dans la formation. Des éléments de coupe situés sur la partie de calibrage de la couronne taillent également en hélice vers l'avant au rayon de calibrage et à la vitesse de pénétration du trépan de forage.
Cependant, les dommages du trépan sont excessifs pendant un forage rectiligne avec un assemblage de fond de forage à navigation à cause des charges subies par les éléments de coupe sur un trépan incliné, animé d'un
<Desc/Clms Page number 9>
mouvement de précession. Comme l'axe de rotation du trépan balaye excentriquement autour de l'axe central du trou, il crée une charge non uniforme, non nominale et d'impact sur les éléments de coupe.
Comme l'ensemble du trépan, dans de telles situations, tourne rapidement autour de l'axe de la garniture de forage ainsi qu'autour d'un axe incliné défini entre le moteur et le trépan de forage, pratiquement tous les points du trépan effectuent en fait un mouvement de précession autour de l'axe central du trou qui progresse.
Le trajet incliné hypocycloïdal ainsi défini par chaque élément de coupe participant au mouvement de précession ne taille pas suivant un cercle qui avance dans un seul plan dans la formation, mais suivant des cercles déformés de profondeur variable autour d'un centre sans cesse changeant.
Suite au mouvement de précession et à l'inclinaison du trépan, les éléments de coupe ne sont pas en contact continu avec la formation, de sorte qu'un nombre réduit d'éléments de coupe peut être en contact avec la formation à un moment donné quelconque. Ce nombre réduit d'éléments de coupe doit encore supporter toutes les charges générées par le forage. De plus, l'orientation (pentes de coupe latérale et arrière) des éléments de coupe par rapport à la formation en cours de forage varie sur une base continue, induisant des charges non nominales et non uniformes. Pendant ce temps, l'angle du trépan tournant par rapport à la garniture de forage qui tourne également a pour résultat de donner des éléments de coupe qui alternativement se déplacent impuissants dans un espace vide, puis reviennent au contact de la formation.
Il en résulte une charge de choc ou d'impact sur l'élément de coupe lorsqu'il rentre brutalement dans la formation. Bien entendu, à tout instant certains éléments de coupe situés sur la face du trépan sont surchargés, tandis que d'autres ne subissent virtuellement aucune charge.
Par conséquent, plusieurs effets contraires résultent du mouvement des éléments de coupe individuels
<Desc/Clms Page number 10>
situés sur un trépan disposé sur un assemblage de fond de forage à navigation qui fore un trou rectiligne. En premier lieu, le trou est surcalibré, ce qui réduit l'efficacité et exige qu'un volume supplémentaire appréciable de la formation soit foré pour faire progresser le trou de forage.
En deuxième lieu, du fait qu'il ne visite pas le même cercle simple ou trajet hélicoïdal continuellement, un élément de coupe donné est exposé à des impacts répétés lorsqu'il se déplace entre le trou vide et la paroi du trou ou la face de la formation non taillée, ou lorsqu'il croise les trajectoires taillées par d'autres éléments de coupe au hasard. En troisième lieu, les éléments de coupe en général ne sont pas soumis aux charges uniformes pour lesquelles ils ont été conçus, mais subissent des charges maximales plus élevées et plus brutales et des charges minimales moins élevées, de sorte que des éléments de coupe individuels sont davantage sujets à subir une défaillance catastrophique.
En quatrième lieu, la vitesse de pénétration effective est ralentie, car de nombreux éléments de coupe ne sont pas convenablement soumis à des charges continues, mais au contraire à des charges alternatives et rencontrent trop peu et trop de matière de formation à tailler. En cinquième lieu, les contacts irréguliers dus à la combinaison des trajectoires irrégulières des éléments de coupe et à l'inclinaison du trépan de forage vers un côté du trou surcalibré provoquent un rebondissement ou un broutement du trépan de forage en porte-à-faux contre la formation. En sixième lieu, des éléments de coupe situés en certains endroits sur le trépan, par exemple, le nez ou l'épaule, continueront à être chargés plus souvent et plus fortement que d'autres.
Le résultat final sur l'assemblage de forage comprend des pièces fatiguées dans la garniture de forage, un écaillage et une rupture des éléments de coupe, ainsi qu'une abrasion et une érosion prématurées du trépan de forage. Des régions usées de manière inégale et exagérée apparaissent en plus des dommages occasionnés à des éléments
<Desc/Clms Page number 11>
de coupe individuels surchargés.
Résumé de l'invention.
Ce qui est nécessaire pour atténuer les problèmes des trépans de forage mentionnés plus haut, dans le cadre du forage d'un trou rectiligne au moyen d'un assemblage de fond pour forage à navigation est un trépan de forage qui ne soit pas empêché de tourner autour de l'axe de rotation de l'arbre de sortie du moteur hydraulique lorsque l'arbre n'est pas coaxial à la garniture de forage surjacente. Le concept de la présente invention réside dans le fait qu'une couronne de forage, si elle est pourvue d'un joint universel entre elle-même et la queue du trépan de forage attaché à l'arbre de sortie du moteur hydraulique, est nettement moins mise sous contrainte que les trépans connus. La charge exercée sur le trépan conforme à l'invention par la garniture de forage tend en l'occurrence à centrer le trépan autour de son centre de rotation nominal.
Toute charge imposée sur un élément de coupe, en un endroit d'une couronne de trépan, suite à la résistance de la formation au forage est équilibrée par les forces agissant sur d'autres éléments de coupe dans la couronne, dans le cas d'un trépan de conception optimisée. Cela étant, une couronne de trépan de forage bien conçue tend à forer droit devant elle suivant son axe de rotation. Ainsi, si une couronne de forage était libre de s'orienter elle-même, elle tendrait à aligner sa face de telle façon que le trépan tourne autour de son axe de rotation vrai ou nominal. Un tel trépan forerait suivant l'axe de rotation pour lequel il a été conçu malgré que l'énergie fournie à la couronne puisse provenir d'un arbre d'un moteur hydraulique incliné désaxé.
C'est-à-dire que les éléments de coupe tailleront dans la direction des charges résultantes. Le trépan suivra les parties de la formation qui reçoivent le plus de contact des éléments de coupe. En d'autres termes, le trépan s'alignera automatiquement en substance dans son orientation de coupe
<Desc/Clms Page number 12>
nominale. De plus, les stabilisateurs tendront à maintenir un trou de forage plus droit du fait qu'ils sont attirés vers le bas dans le trou de diamètre relativement plus petit taillé par un trépan à couronne pivotante.
Un tel trépan à autoalignement forera encore dans la direction de l'axe de l'arbre de sortie d'un moteur de fond lorsque la garniture de forage est immobile. Ainsi, si la garniture de forage tourne seule ou que le moteur de fond tourne sur l'extrémité d'une garniture de forage en rotation, la couronne du trépan s'alignera d'elle-même autour de l'axe de rotation de la garniture de forage.
De plus, des variations des formations peuvent affecter le rendement du trépan. Un trépan qui pourrait s'orienter automatiquement aurait une efficacité améliorée même sur une garniture de forage droite classique. De plus, une garniture de forage elle-même peut présenter de multiples modes d'oscillations dynamiques dues aux charges et à la rotation. La nécessité d'utiliser un trépan à autoalignement s'applique également aux garnitures de forage droites pour compenser la flexion et le coudage de la garniture.
L'invention décrit une couronne de trépan inclinable qui permette à la face de la couronne de maintenir un contact complet entre la formation en cours de forage et la totalité des éléments de coupe dans toutes les circonstances qui précèdent malgré qu'il soit fixé à un arbre qui a été coudé, incliné ou basculé par rapport à l'axe du trou, que ce soit accidentellement ou en vue d'un forage dirigé. L'invention permet à la couronne de s'aligner coaxialement d'elle-même sur l'axe du trou même pendant un forage rectiligne avec un assemblage de fond à navigation, lorsque le moteur et le mécanisme d'inclinaison tournent excentriquement entre la garniture de forage et le joint universel du trépan.
La couronne de forage conforme à l'invention comprend une queue et une couronne associées de manière inclinable pour permettre des axes de rotation séparés, non
<Desc/Clms Page number 13>
colinéaires, qui s'intersectent. Le trépan de forage décrit ici, présente une couronne reliée de manière inclinable à la queue du trépan en vue d'un forage rectiligne et d'un forage dirigé. Ainsi, pendant le forage rectiligne, même lorsque la rotation de la garniture de forage est superposée à la rotation induite par le moteur, un puits de forage ayant en substance le même diamètre que le calibre nominal du trépan est obtenu en lieu et place du puits surcalibré foré par les trépans connus.
En d'autres termes, la rotation du trépan, conforme à l'invention, par un moteur hydraulique en combinaison avec une garniture de forage tournante donne le même calibre de trou foré et la même efficacité de trépan que la rotation du trépan uniquement par un moteur hydraulique fixé à une garniture de forage qui ne tourne pas ou à une garniture de forage ou un moteur dans lequel l'axe du trépan de forage reste coaxial à l'axe de la garniture de forage.
En d'autres termes, le trépan de'forage conforme à l'invention comprend un joint universel ou son équivalent reliant la couronne de trépan à la queue, en vue d'un forage au fond du trou plus efficace de formations terrestres. Le trépan de forage peut améliorer le forage classique, le forage dirigé (à navigation) et le forage rectiligne à l'aide d'un appareil de forage dirigé. La couronne de trépan suivant l'invention comprend un simple joint universel porteur qui permet à la couronne de trépan de s'aligner d'elle-même avec son propre axe de rotation unique pour optimiser le contact entre les éléments de coupe du trépan et la formation en cours de forage. Le trépan de forage ici décrit, lorsqu'il est utilisé pour un forage rectiligne classique, assure un forage plus efficace et plus doux avec une réduction des dommages et de l'usure du trépan.
Il offre également tous ces avantages lorsqu'il est utilisé dans le forage dirigé ou à navigation. Le trépan réduit, en outre, les dommages causés aux éléments de coupe typiquement lors d'un forage rectiligne en association avec un forage dirigé de fond effectué avec un assemblage de fond pour forage à
<Desc/Clms Page number 14>
navigation.
Brève description des dessins.
La Fig. 1 est une vue en perspective, en partie en coupe, du trépan à couronne pivotante comportant un joint universel ; la Fig. 2 est une vue en élévation en coupe d'une forme de réalisation du trépan à couronne pivotante suivant l'invention ; la Fig. 3 est une vue en élévation d'une autre forme de réalisation du trépan à couronne pivotante suivant l'invention, la couronne étant représentée en coupe ; la Fig. 4 est une vue en coupe horizontale d'une configuration possible du trépan à couronne pivotante des Fig. 1 à 3, suivant le plan AA de la Fig. 2 ; la Fig. 5 est une vue en coupe horizontale d'une autre configuration du trépan à couronne pivotante des Fig. 1 et 2 suivant le plan AA de la Fig. 2 ; la Fig. 6 est une vue en coupe horizontale d'encore une autre configuration du trépan à couronne pivotante des Fig. 1 et 2, suivant le plan AA de la Fig. 2 ;
la Fig. 7 est une vue en élévation schématique d'une garniture de forage (dont les dimensions et les angles ont été exagérés) équipée d'un mécanisme d'inclinaison et
EMI14.1
d'un trépan à couronne pivotante conforme à l'invention ; 1 la Fig. 8 est une vue en élévation en partie en coupe d'une configuration de raccord flexible conforme à l'invention ; les Fig. 9 à 11 sont des vues en élévation de diverses configurations de fentes de flexion dans le raccord flexible de la Fig. 8 ; les Fig. 12A et 12B sont des vues en élévation d'une partie du raccord flexible de la Fig. 8 avec d'autres configurations pour les fentes de flexion ; la Fig. 13 est une vue en élévation en coupe d'un raccord flexible comportant une queue de section
<Desc/Clms Page number 15>
transversale réduite pour induire une flexion au-dessus de la couronne du trépan ;
la Fig. 14 est une vue en élévation en coupe d'une variante du trépan à couronne pivotante conforme à l'invention ; la Fig. 15 est une vue en élévation en coupe d'un segment d'une variante du joint universel du trépan à couronne pivotante conforme à l'invention ; la Fig. 16 est une vue en élévation en coupe d'une variante du trépan à couronne pivotante conforme à l'invention ; la Fig. 17 est une vue en perspective d'une configuration rectangulaire des guides dans lesquels les patins de la Fig. 16 se déplacent ; les Fig. 18A, 18B et 18C montrent des variantes de tourillons qui peuvent opérer dans les guides de la Fig. 17 sans patin ; la Fig. 19A est une vue en perspective d'une configuration prévue pour des tourillons sphériques formés sur la queue du trépan des Fig. 14 et 16 ;
la Fig. 19B est une vue en plan d'une configuration pour les tourillons sphériques formés sur la queue du trépan des Fig. 14 et 16 ; les Fig. 20 et 21 sont des vues en perspective de variantes trapézoïdales et rectangulaires, respectivement pour les patins dans les trépans à couronne pivotante des Fig. 15 et 16 ; les Fig. 22A et 22B sont des vues en perspective de variantes de patins pour le trépan à couronne pivotante de la Fig. 14, comportant des surfaces sphériques et cylindriques, respectivement ; les Fig. 22C et 22D sont respectivement une vue en élévation et une vue en coupe d'une variante du patin de la Fig. 22B ;
la Fig. 23 est une vue en élévation d'une garniture de forage équipée d'une seule unité d'inclinaison (dont les dimensions et les angles ont été exagérés) et du
<Desc/Clms Page number 16>
trépan à couronne pivotante conforme à l'invention pour un forage rectiligne ou un forage dirigé ; la Fig. 24 est une vue en élévation d'un forage rectiligne et d'une garniture de forage comportant une simple unité d'inclinaison (dont les dimensions et les angles ont été exagérés) et un trépan classique, en lieu et place du trépan à couronne pivotante conforme à l'invention ;
la Fig. 25 est une vue en élévation d'une garniture de forage comportant une double unité d'inclinaison (dont les dimensions et les angles ont été exagérés) et un trépan classique au moment de la transition du forage rectiligne au forage dirigé, et la Fig. 26 est une vue en élévation d'un trépan incliné sur lequel la face et la partie de calibrage ne sont pas alignées avec la surface de travail du trou surcalibré.
Description détaillée des formes de réalisation préférées.
Les principes de l'invention sont clairement représentés sur les Fig. 1 à 6 qui montrent une forme de réalisation préférée du trépan 10 avec de faibles variantes.
Des éléments fonctionnant de manière analogue portent les mêmes chiffres de référence dans les diverses figures. Le trépan 10 comprend la couronne 12 et la queue 14. La queue 14 est reliée à la couronne 12 par l'un de plusieurs moyens conformes à l'invention, conçus pour conférer un effet d'articulation universel à la liaison. La Fig. 7 est une vue en élévation du trépan 10 fixé au moteur de fond 16 sur la garniture de forage 18. Le joint universel 20 de la Fig. 1 permet à la couronne 12 de la Fig. 7 de s'aligner d'ellemême dans le trou 22, en dépit de l'angle par rapport à la garniture de forage qui est imposée par le raccord 24 de l'unité d'inclinaison. Le raccord est un terme général dans l'industrie du forage qui se rapporte à un élément assemblé dans une garniture de forage.
Ainsi, le raccord 24 de l'unité d'inclinaison peut être de l'un quelconque de divers types connus dans ce domaine. L'unité d'inclinaison est
<Desc/Clms Page number 17>
fixée au carter extérieur 28 d'un moteur de fond 16. Le carter extérieur 28 se déplace avec la garniture de forage 18. La garniture de forage 21 est reliée à un système d'entraînement par moteur et de table de rotation ou de tête d'injection d'entraînement (non représentée) à la surface du sol au niveau de l'orifice du trou foré 22.
Comme le montrent les Fig. 1 à 6, la couronne 12 comporte des éléments de coupe 30 (Fig. 2) montés sur sa face 32, ainsi qu'une partie de calibrage 36 pour aligner le trépan 10 dans le trou foré 22. A partir d'une chambre de surpression 38, de la boue de forage est acheminée aux ajutages 40 qui s'ouvrent à travers la face 32 de la couronne 12. La colonne 42 part du début de la garniture de forage, au niveau de la surface du sol, et s'enfonce à travers le centre de la garniture de forage sans interruption jusqu'à l'extrémité inférieure de la queue 14.
Sur les Fig. 1 et 2, un joint universel 20 capable de permettre des déplacements angulaires d'inclinaison fixe la queue 14 à la couronne 12. La Fig. 1 est une vue en perspective, en partie en coupe, d'un trépan 10 utilisant le joint universel 20. La Fig. 3 est une vue de la couronne 12 selon le plan de coupe C-C de la Fig. 4, la queue 14 n'étant pas représentée en coupe. Les Fig. 4 à 6 illustrent des variantes du trépan 10 de la Fig. 2, suivant le plan de coupe A-A.
Une queue 14 comprend un arbre tubulaire 46 qui est fixé à la garniture de forage 18 ou à l'extrémité d'un arbre de sortie d'un moteur de fond. A l'extrémité distale de la queue 14 est fixé un élément sphérique 64. L'élément sphérique 64 est pourvu d'une surface étendue 66 et d'une surface excavée 68. Des bossages de queue 70 font saillies vers l'extérieur sur la surface excavée 68 et s'étendent, de préférence, jusqu'à un diamètre approximativement égal au diamètre de la surface étendue 66. Les bossages de queue 70 sont, de préférence, fabriqués en laissant une matière résiduelle lors de l'usinage de la surface excavée 68 en dessous de la surface étendue 66 de l'élément sphérique 64,
<Desc/Clms Page number 18>
comme le montrent clairement les Fig. 1 et 3.
Des patins 72 sont ajustés contre la surface excavée 68 de manière à s'étendre à partir de celle-ci jusqu'à un rayon équivalant à celui de la surface étendue 66. La colonne 42 traverse l'élément sphérique 64 de la queue 14 pour acheminer de la boue de forage à la couronne 12.
La couronne 12 est configurée de manière à présenter une surface sphérique 74 propre à épouser la surface étendue 66 de la queue 14. La surface sphérique 74 s'étend dans le corps de trépan 76 et la bague sphérique 78 qui est retenue contre le corps de trépan 76 par le contre- écrou 80.
Des bossages de couronne 82 sont formés dans le corps de trépan 76 et, dans certaines configurations, dans la bague sphérique 78. Les bossages de couronne 82 font saillies à partir de la couronne 12 vers la surface excavée 68 de la queue 14. Les bossages de couronne 82 seraient donc presque complètement entravés par les bossages de queue 70 s'il n'y avait pas de décalage circonférentiel. Les bossages de couronne 82 sont décalés circonférentiellement de 90 des bossages de queue 70, autour de l'axe 84 de la queue.
L'espace intermédiaire entre les bossages de queue 70 et les bossages de couronne 82 est occupé circonférentiellement par des patins 72 qui sont captifs radialement entre la surface excavée 68 de la queue 14 et la surface sphérique 74 du corps de trépan 76. Les patins 72 forcent donc les bossages de couronne 82 à tourner avec les bossages de queue 70 autour de l'axe 84 de la queue tout en permettant à l'axe 86 de la couronne de s'incliner dans un sens s'écartant de l'axe 84 de la queue.
Un jeu d'inclinaison 88 est requis au-dessus et en dessous des bossages de couronne 82. Le jeu d'inclinaison 88 doit être suffisant pour l'angle de débattement complet 62 entre la queue 14 et la couronne 12. C'est-à-dire qu'en fonctionnement, les bossages de couronne 82 oscilleront dans la région de la surface excavée 68 entre la surface étendue
<Desc/Clms Page number 19>
66 au-dessus et en dessous des bossages de couronne 82. Les bossages de queue 70 quant à eux peuvent être continus avec la surface étendue 66 de la queue 14, se déplaçant tous dans la surface sphérique 74 de la couronne 12.
La couronne 12 et/ou la queue 14 doivent typiquement contenir des moyens pour assurer leur étanchéité réciproque, afin de diriger de la boue de forage sous pression vers la face de la couronne 12 pour refroidir et nettoyer les éléments de coupe et évacuer les débris de formation résultant du forage. Dans la forme de réalisation de la Fig. 1, un élément d'étanchéité 90 est ajusté dans une gorge d'étanchéité 92 taillée dans la surface sphérique 74 de la couronne 12. L'élément d'étanchéité 90 s'étend audessus de la gorge d'étanchéité 92 afin de venir en contact avec la surface étendue 66 et la tige 14 pour former un joint d'étanchéité.
L'élément d'étanchéité 90 assure que la boue de forage acheminée à travers la colonne 42 à partir de la garniture de forage 18 dans la queue 14 passe par la chambre de surpression 38 et les ajutages 40 prévus dans la face du corps de trépan 76 de la couronne 12. Les ajutages 40 débitent de la boue de forage vers les éléments de coupe 30 pour évacuer les débris, refroidir les éléments de coupe 30 et lubrifier le contact entre le trépan et la formation. L'élément d'étanchéité 90 forme un joint étanche à la pression destiné à empêcher en substance la boue de refluer à travers le joint universel 20. L'élément d'étanchéité 90 empêche également toute érosion des éléments du joint universel 20.
Comme le montrent les Fig. 1 et 3, le bossage de queue 70 présente des côtés de bossage de queue 94 qui doivent progresser autour de l'élément sphérique 64 avec une symétrie planaire à l'égard d'un plan passant par l'axe 84 de la queue et le milieu"vertical"du bossage de queue 70.
Dès lors, quoique les côtés 94 du bossage de queue puissent être formés de manière à présenter une section transversale trapézoïdale dans le bossage de queue 70, chaque point d'un côté de bossage de queue 94 doit se déplacer dans le même
<Desc/Clms Page number 20>
plan défini par le mouvement de l'axe 84 de la queue et parallèle à l'axe médian"vertical"du bossage de queue 70. Sinon, la queue 14 serait fixée rigidement par rapport à la couronne 12. Puisque la surface extérieure 98 du bossage de queue 70 coïncide sensiblement avec la surface étendue 66 de l'élément sphérique 64, un jeu supérieur au jeu nominal n'est pas nécessaire entre le bossage de queue 70 et la surface étendue 66 aux extrémités supérieure et inférieure 100,102 du bossage de queue 70.
En fonction de la fabrication, le bossage de queue 70 peut être contigu à la surface étendue 66, dans les limites des contraintes mentionnées ci-dessus.
Les bossages de couronne 82 s'étendent vers l'intérieur en tant que partie de la couronne 12, en maintenant un jeu infime 104 par rapport à. la surface excavée 68. De plus, un jeu angulaire 106 existe entre l'élément sphérique 64 et les extrémités supérieure et inférieure 108, 110 des bossages de couronne 82. Un jeu angulaire 106 offre la liberté nécessaire pour le mouvement de rotation relatif entre la queue 14 et la couronne 12. La queue et la couronne, à l'endroit du jeu 106, servent également de moyen de limitation chaque fois que les extrémités supérieure et inférieure 108,110 des bossages de couronne 82 viennent en contact avec l'élément sphérique 64.
Les bossages de queue 70 et les bossages de couronne 82 s'étendent à la fois dans les hémisphères supérieur et inférieur de l'élément sphérique 64. L'assemblage peut être plus simple si les bossages de couronne 82 et les bossages de queue 70 sont formés seulement dans l'hémisphère inférieur de l'élément sphérique 64. Dans ce cas, la bague sphérique 78 ne doit pas recevoir les bossages de queue 70. Elle peut servir de mécanisme d'arrêt pour les bossages de couronne 82 et ne recevoir que la simple forme sphérique de la surface étendue 66 de l'élément sphérique 64.
Les surfaces sphériques, à l'intérieur de
<Desc/Clms Page number 21>
l'hémisphère inférieur de l'élément sphérique 64 doivent être des surfaces porteuses et doivent permettre un mouvement de rotation relatif entre la queue 14 et la couronne 12. Puisque le mouvement de rotation relatif
EMI21.1
(inclinaison, pivotement) entre la couronne 12 et la queue S t, # 14 est limité à moins de quelques degrés, le terme inclinaison ou pivotement semble mieux approprié.
Dans la forme de réalisation de la Fig. 5, le bossage intérieur de patin 112 remplit la fonction du bossage de queue 70 de la forme de réalisation de la Fig. 4. Le bossage extérieur de patin 114 remplit la fonction du bossage de couronne 72 de la Fig. 4. Les mêmes types d'exigences géométrique et de charge existent dans chaque cas. Un avantage de la configuration du patin 72 sur la Fig. 5 est que les patins 72 peuvent faits d'une matière plus tenace ou d'une matière plus tendre que celle de la queue 14 ou de la couronne 12. Ainsi, les patins 72 amortiront les chocs, quoiqu'une telle matière pourrait présenter des caractéristiques d'usure médiocres. Cependant, le patin 72 devient une pièce complètement remplaçable ce qui améliore les caractéristiques d'usure du reste du trépan 10.
Un processus de coulée destiné à produire les patins hémisphériques 72 pourrait permettre la fabrication de pièces de rechange reproductibles, précises et peu onéreuses assurant un fonctionnement prolongé du trépan 10. Il convient de noter que les patins 72, dans toutes leurs configurations, transmettent de l'énergie de rotation au trépan de forage de même que des forces de compression axiale pour maintenir la vitesse de pénétration du trépan 10.
Les bossages de patins intérieurs et extérieurs 112,114 tournent dans des rainures de queue 116 et des rainures de couronne 118, respectivement. Chaque configuration doit permettre à la couronne 12 de pivoter à la cardan avec 2 degrés de liberté par rapport à la queue 14.
Dans la forme de réalisation de la Fig. 6, le
<Desc/Clms Page number 22>
trépan 10 est pourvu de chemins de roulement de queue 120, de chemins de roulement de couronne 122 et de chemins de roulement de patin 124 dans les bossages de queue 70, les bossages de couronne 82 et les patins 72, respectivement.
EMI22.1
La symétrie planaire du bossage de queue 70 et t t de couronne 82 reste requise, comme décrit'plus haut.
Néanmoins, des organes de roulement 126 sont maintenus captifs par des chemins de roulement de queue 120, des chemins de roulement 122 et des chemins de roulement de patin 124 afin d'assurer une inclinaison sans friction de la couronne 12 par rapport à la queue 14.
Bien qu'ils soient représentés ici par des organes de roulement sphériques, les organes de roulement 126 pourraient être des rouleaux et les chemins de roulement 120,122, 124 de la queue, de la couronne edespat.ips,, pourraient respectivement être façonnés) de manière correspondante avec des surfaces planes, courbes ou circulaires pour permettre aux organes de roulement 126 de rouler axialement par rapport à l'axe 84 de la queue. La configuration de la Fig. 6 comporte plusieurs pièces mobiles, mais les patins 72 et les organes de roulement 126 pourraient être des éléments aisément remplaçables en une matière plus tendre ou autrement moins durable que les bossages de queue 70 et les bossages de couronne 82.
Les Fig. 14 à 22 illustrent des variantes du joint universel 120 du trépan 10. Sur la Fig. 14, la queue 14 contient quatre rotules, les tourillons 128, qui en font partie intégrante ou qui y sont solidement fixés. Les tourillons 128 placés tous les 900 autour de l'axe 84 de la queue sont logés dans des douilles 130 ménagées dans des patins 72. Les patins 72 se déplacent dans des guides sphériques 132 dans la couronne 12. La vue du trépan 10 de la Fig. 14 peut être identique à la vue représentée à partir d'une position décalée de 900. Le trépan 10 est donc pourvu d'un véritable joint universel.
Les bossages de couronne 82 sont essentiellement la continuation de la matière de la couronne 12 entre les
<Desc/Clms Page number 23>
patins 72. Cette configuration assure l'inclinaison de la queue 14 dans le plan de la page ou hors de ce plan autour des tourillons 128 dans les douilles 130. Ainsi, tous les patins 72 sont empêchés de se déplacer entre les bossages
EMI23.1
de couronne 82 de la couronne 12. Le degré deiberté ''f. \4. " r supplémentaire offert par les tourillons 128 dans les douilles 130 permet le déplacement nécessaire dans des plans orthogonaux donnant l'effet de joint universel.
Sur la Fig. 15, des tourillons 134 faisant partie de la couronne 12 sont logés dans des douilles 130 ménagées dans des patins 72 qui coulissent dans des guides 136 formés dans la queue 14. Cette configuration présente certaines imprécisions, car les guides 136 sont parallèles et non circulaires. Les patins 72 ne jouiront donc pas d'une
EMI23.2
tolérance constante dans les guides 136 lors de ri.'ff,'"-','' l'inclinaison de la couronne 12. Dès lors, re concept de la Fig. 15 n'est pas celui d'un vrai joint universel, mais étant donné les petits angles requis, il s'agit d'une configuration justifiée.
De même la Fig. 16 illustre davantage le concept des Fig. 14 et 15. C'est-à-dire que les tourillons 128 fixés à la queue 14 se déplacent dans des douilles 130 formées dans des patins 72 qui coulissent dans des guides 136 formés dans la couronne 12. Puisque les guides 138 sont parallèles l'un à l'autre au lieu d'être sphériques comme les guides sphériques 132 de la Fig. 14, la distance perpendiculaire par rapport aux guides 132 entre des patins 72 situés sur les côtés opposés de la couronne 12 varie légèrement avec l'inclinaison de l'axe 84 de la queue par rapport à la couronne 12. Ainsi, la Fig. 16 n'est pas un véritable joint universel, mais pour de petits angles, ce système fonctionne efficacement comme un joint universel. Les mouvements principaux d'un joint universel peuvent être effectués avec la configuration de la Fig. 16.
La Fig. 17 montre la relation géométrique des guides 138 dans le trépan 10 de la Fig. 16.
Les queues les plus simples 14 pour un
<Desc/Clms Page number 24>
déplacement dans les guides 138 de la Fig. 17 sont représentées sur les Fig. 18A à C. La queue 14 est pourvue d'organes d'oscillation 133 pour remplacer des tourillons 128 et les patins 72, qui se déplacent dans des guides 138 d'une configuration telle que représentée sur la Fig. 17.
En choisissant convenablement un rayon 141, off permet"atfx organes d'oscillation 133 de se déplacer dans les guides 138 pour produire un effet de joint universel tout en maintenant la queue 14 centrée dans la couronne 12 du trépan 10. De la même manière, un rayon approprié 143 ou 145 sur chaque organe d'oscillation 133 assure une capacité de support de la charge adéquate dans la queue 14 pour l'entraînement de la couronne 12. Les Fig. 19A et 19B sont une vue en perspective des tourillons 128 dans des configurations possibles de la queue 14. Les tourillons 128 peuvent faire partie intégrante de la queue 14 avec descongés'de raccordement.
Les Fig. 20 et 21 montrent des configurations possibles de patins 72 pour la forme de réalisation des Fig. 15 et 16, tandis que les Fig. 22A à D montrent des patins 72 destinés à être adaptés à la surface courbe 139 de la Fig. 14, qui sont de préférence sphériques (Fig. 2A), mais peuvent être cylindriques (Fig. 22B) et peuvent comprendre une section transversale trapézoïdale (Fig. 22C-D). Des surfaces cylindriques peuvent remplacer des guides sphériques 132. C'est-à-dire que des guides sphériques 132 peuvent être généralement remplacés par des rainures circulaires présentant des sections transversales trapézoïdales ou rectangulaires dans lesquelles des patins 72 coulissent suivant des arcs circulaires.
Les Fig. 8 à 13 illustrent une autre forme de réalisation de l'invention permettant d'obtenir un effet de joint universel. Un raccord flexible 44 fait d'une matière continue, mais flexible, peut fonctionner comme un joint universel. Un tel dispositif table sur la flexion élastique de sections réduites de matière pour permettre le mouvement d'inclinaison de la couronne, habituellement de moins de 1 ,
<Desc/Clms Page number 25>
mais parfois allant jusqu'à 40. Le raccord flexible 44 peut être considéré comme un type spécial de queue 14 comportant un fût 46 entaillé au niveau de son diamètre extérieur extrême par des fentes de flexion 48 qui s'étendent jusqu'à une profondeur 50 suffisante pour rendre le raccord flexible 44 plus facile à courber.
Les fentes de flexion 48 sont de préférence pourvues d'enclumes ou d'arrêts 52 montés de chaque côté des fentes de flexion 48 pour limiter la flexion du raccord flexible 44 au niveau d'une quelconque fente de flexion donnée 48. Les enclumes ou arrêts 52 peuvent être faits de la même matière ou d'une matière sensiblement plus dure ou plus tenace que celle du fût 46 dans lequel les fentes de flexion 48 sont ménagées. On peut utiliser différentes dimensions d'arrêts 52 pour ajuster le jeu 49 entre les arrêts et augmenter ou diminuer la flexibilité effective du raccord flexible 44. Le raccord flexible 44 est typiquement une pièce d'acier, tandis que les enclumes ou les arrêts 52 pourraient être en acier durci ou en alliage de carbure de tungstène.
Les fentes de flexion 48 pourraient être d'une conception étroite ou large. De même, les fentes de flexion 48 pourraient être relativement droites comme sur les Fig. 9 et 10, présentant un rayon de courbure 54 pour distribuer les contraintes et empêcher des concentrations de contrainte pendant la flexion. En variante, comme sur la Fig. 11, la fente de flexion 48 peut être une forure cylindrique transversale sectionnée d'un côté pour s'ouvrir dans la surface extérieure 56 du raccord flexible 44. La configuration des fentes de flexion 148 utilisées doit maintenir un équilibre entre d'une part une distribution maximale des contraintes de flexion sur un grand rayon et d'autre part un rayon suffisamment petit pour permettre la présence d'un nombre maximum de fentes de flexion 48 à ménager dans le raccord flexible 44.
Des enclumes ou arrêts 52 peuvent être placés à l'extérieur d'une fente de flexion 48 ou à l'intérieur de celle-ci.
Les fentes de flexion 48 peuvent être disposées,
<Desc/Clms Page number 26>
comme le montre la Fig. 8, dans les côtés opposés du raccord flexible 44, une paire de fentes de flexion 48 sur deux étant orientée à 900 par rapport à l'autre. Les fentes de flexion 48 pourraient être disposées en quinconce comme sur la Fig. 12A au lieu d'être directement opposées l'une à l'autre. De cette façon, des charges de torsion accrues pourraient être supportées dans le raccord flexible 44, car la section transversale perpendiculaire à la direction axiale n'est pas aussi mince que dans la configuration de la Fig. 4. Il serait concevable que des fentes de flexion 48 pourraient être décalées davantage en quinconce comme illustré sur la Fig. 12B.
Cette configuration peut permettre la transmission de couples énormes le long des parties massives du raccord flexible 44 tout en permettant une flexion substantielle au niveau des fentes de flexion 48. Néanmoins, la forme de réalisation préférée est celle comportant des fentes agencées comme sur la Fig. 8.
Le raccord flexible 44 est fixé à la couronne 12.
Le moyen de fixation préférable est un assemblage vissé 56 dans lequel le raccord flexible 44 est vissé jusqu'à ce qu'il vienne buter contre un arrêt 58 sur la couronne 12.
Certaines configurations pourraient permettre une mise en charge et une flexion plus uniforme. Chaque configuration peut être rendue suffisamment solide en torsion tout en fléchissant encore de manière adéquate. Un avantage de la symétrie est, cependant, un fonctionnement plus doux.
Dans les formes de réalisation des Fig. 1 à 6, la queue 14 et la couronne 12 sont agencées de manière à former un vrai joint universel qui peut être conçu pour permettre un angle d'inclinaison relativement grand. En revanche, le raccord flexible de la Fig. 8 n'est fonctionnel que parce qu'un petit angle d'inclinaison seulement est requis dans la plupart des applications. Le raccord flexible 44 comprend essentiellement un arbre 46 rendu discontinu ou autrement de section réduite au niveau de son diamètre extérieur extrême pour améliorer sa flexibilité en fonctionnement.
<Desc/Clms Page number 27>
Etant donné qu'il fléchira par rapport à la couronne 12, le raccord flexible 44 peut être pourvu d'un arrondi de dégagement 60 et/ou d'un angle de débattement 62. La couronne 12 peut également servir d'arrêt pour empêcher une inclinaison excessive par rapport à la queue 14.
Les trois scénarios opérationnels intéressants seront compris par référence aux Fig. 23 à 25. Il va de soi que les angles et les dimensions sont nécessairement exagérés par souci de clarté sur les Fig. 23 à 25. Les scénarios comprennent un forage rectiligne au moyen d'une garniture de forage classique, un forage rectiligne au moyen d'un assemblage de fond dirigé ou à navigation à l'extrémité d'une garniture de forage tournante et un forage dirigé ou à navigation avec un assemblage de fond à l'extrémité d'une garniture de forage qui ne tourne pas.
Dans le premier cas (non représenté) le forage rectiligne classique tire profit de l'appareil conforme à l'invention en améliorant son efficacité. La quantité de matière qui doit être forée diminue parce que l'orientation du trépan 10 n'est pas affectée par un quelconque ballottement ou flexion de la garniture de forage soumise à de fortes charges. L'efficacité accrue améliore la vitesse de pénétration ainsi que les caractéristiques d'usure et les taux de rupture du trépan 10.
Dans le second cas, un trépan de forage classique fixé à l'arbre de sortie 148 du moteur 16 de l'assemblage de fond pour le forage à navigation maintient un petit angle d'inclinaison par rapport à la garniture de forage 18. La garniture de forage 18 peut être tournée sélectivement pour régir l'effet de l'assemblage de fond. Si la garniture de forage 18 est immobile, l'effet est un forage dirigé. Si la garniture de forage 18 tourne, le trépan 10 effectue un mouvement de pression autour du trou 22 défini par l'axe 144 du trou défini au dessin (voir Fig. 24).
En revanche (Fig. 23), si un trépan 10 du type conforme à l'invention est utilisé, la garniture de forage 18 et l'arbre de sortie 148 du moteur de fond 16 peuvent tourner, mais le trépan 10
<Desc/Clms Page number 28>
s'alignera de lui-même sur le trou 22 le plus étroit possible pour équilibrer les forces auxquelles il est soumis. L'efficacité et la vitesse de pénétration s'améliorent. Les taux d'usure et de bris sont également améliorés fortement par le trépan 10 convenablement orienté et mis en charge.
Dans le troisième cas (Fig. 25), la garniture de forage 18 ne tourne pas. L'arbre de sortie 148 tourne, de sorte que le trépan 10 n'a qu'un axe de rotation, l'axe 146 du moteur. Dans ce cas, le trépan 10 conforme à l'invention s'alignera de lui-même sur l'axe 146 du moteur et forera un trou dirigé. Les avantages correspondent à ceux du forage rectiligne du premier cas cité plus haut.
La Fig. 23 illustre le trou foré 22 avec un système de forage à navigation comportant des stabilisateurs 26 montés sur une unité d'inclinaison simple 156 et un moteur de fond 16, formant un assemblage de fond dans l'ensemble tel que décrit dans le brevet US-A-4 667 751.
L'unité d'inclinaison simple 156 présente un seul coude 158 pour incliner l'arbre de sortie du moteur de fond 16 par rapport à la garniture de forage 18. L'arbre de sortie 148 est orienté de telle façon que la rotation de l'arbre de sortie 148 avec une rotation simultanée de la garniture de forage 18 fasse tourner les stabilisateurs 26 à l'intérieur du trou foré 22, tandis que l'arbre de sortie 148 tourne également par rapport à la garniture de forage 18. L'effet sur la couronne 12 du trépan 10 est un pivotement autour de la queue 14, le trépan s'alignant de lui-même avec la garniture de forage 18. Le trépan 10 fore alors un trou rectiligne ayant en substance le calibre nominal du trépan 10, du moins dans toute la mesure du possible.
Pour un coude 158 présentant un petit angle d'inclinaison 160, un alignement très satisfaisant de la couronne 12 peut être obtenu par rapport à l'axe 152 de la garniture de forage.
Sans le trépan à couronne pivotante de l'invention, la Fig. 24 décrirait le mouvement d'un trépan 10 dans un trou foré 22. L'unité d'inclinaison simple 156
<Desc/Clms Page number 29>
présentant le coude 158 pour incliner le moteur de fond 16 par rapport à la garniture de forage 18 aligne l'arbre de sortie 148 du moteur de fond 16, assurant ainsi que le trépan 10 effectue un mouvement de précession autour du trou foré 22 le long de la surface de coupe 164. Le diamètre 23 du trou foré 22 est notablement plus grand que celui de la couronne 12. De plus, la couronne 12 n'est pas alignée avec la surface de coupe 164, de sorte qu'elle tend à rebondir et à brouter contre la paroi 172 du trou foré, augmentant ainsi l'usure du trépan.
La Fig. 25 illustre un assemblage de fond avec une unité d'inclinaison double 166 comportant un coude supérieur 168 et un coude inférieur 170 qui ensemble inclinent le trépan de forage 10 par rapport au moteur de fond 16 et à la garniture de forage 18. Des stabilisateurs 26 empêchent l'unité d'inclinaison double 166 de frotter contre la paroi 172 du trou foré 22. Cet assemblage de fond est semblable à l'une des formes de réalisation du brevet US-A-4 739 842. Pour un forage dirigé, la couronne 12 du trépan 10 tourne autour de l'arbre de sortie 48 avec une garniture de forage non tournante 18. Le stabilisateur 26 suivra la couronne 12 dans le trou dirigé 174 ayant un diamètre de trou dirigé 176 taillé pour s'adapter à la couronne 12.
Si le trépan 10 est un trépan classique, comme sur les Fig. 24 et 25, le diamètre 23 du trou est plus grand que celui de la couronne 12 et des stabilisateurs 26 dans la partie rectiligne du trou 22. Dans le trou dirigé 174, le diamètre 176 correspond d'une manière générale au diamètre de la couronne 12, mais peut être légèrement surdimensionné ou ovalisé.
Par contre, si on utilise le trépan 10 conforme à l'invention, comme le montre la Fig. 23, le diamètre 23 du trou conserve le calibre de la couronne 12 pendant le forage rectiligne et le forage dirigé. Si le moteur de fond 16 est le seul moyen moteur pour faire tourner la queue 14, le trou foré 22 est dirigé et est adapté à la couronne 12.
Si la garniture de forage 18 tourne et qu'en plus l'arbre
<Desc/Clms Page number 30>
de sortie 148 tourne par rapport à la garniture de forage 18, la couronne 12 s'aligne avec la garniture de forage 18.
Le coude de l'unité simple 156 ou le double coude de l'unité d'inclinaison double 166 tourne entre la couronne 12 et la garniture de forage 18 comme un câble de liaison.
Un résultat avantageux de l'utilisation de la présente invention dans le forage d'un trou rectiligne est que le volume de formation qui doit être foré est moindre.
Le forage rectiligne constitue la majeure partie du forage d'un trou quelconque 22 destiné à former un puits dans une formation terrestre, de sorte que les avantages peuvent être appréciables.
Comme le montre la Fig. 26, une couronne 12 qui n'est pas en contact avec une formation peut avoir de l'espace lui permettant de ballotter dans le trou foré 22 et des forces 178 concentrées au point ou à la ligne de contact 180 de la couronne 12 doivent supporter une charge dépassant la capacité nominale. Si au contraire la queue 14 s'incline par rapport à la couronne 12, une force 178 agissant sur un côté seulement de la couronne 12 tendra à aligner la couronne 12 avec la face 182 de la formation, de sorte que les forces 178 sont distribuées sur la face 184 du trépan.
Ainsi, le joint universel 20 de la présente invention favorise une moindre usure des éléments de coupe, des bris plus rares des éléments de coupe, des efficacités accrues, des vitesses de pénétration accrues et des diamètres 23 plus petits du trou foré, optimisant l'utilisation d'une couronne 12 d'un trépan 10 dans le forage dirigé et dans le forage rectiligne.
Des appareils de forage dirigés spécifiques ont été décrits afin d'illustrer l'invention. Cependant, la couronne à autoalignement 12 réalisée par l'invention et le joint universel 20 qui offre ces particularités sont également applicables à la plupart des configurations de forage. Le rendement de forage des assemblages de fond pour forage dirigé classiques (y compris des dispositifs d'amorçage de déviation) peut être amélioré par la présente
<Desc/Clms Page number 31>
invention. Qu'ils soient fixés en place sur une garniture de forage ou sélectivement actionnés à partir de la surface, tandis qu'ils sont en service, des mécanismes d'inclinaison pour forage dirigé tireront profit du trépan 10 conforme à l'invention.
Comme décrit plus haut, les ayanages aboutissent à un appareil de forage utilisant'le trépan ÏO dans pratiquement n'importe quelles configurations de garniture de forage classiques.
De même, l'invention est décrite et illustrée avec une couronne 12 du type connu sous le nom de"trépan à lames"ou"élément de coupe fixe". Les éléments de coupe 30 sont fixés par rapport à la couronne 12. Les éléments de coupe 30 sont donc raclés contre la formation à la même vitesse de rotation que celle de la couronne. Néanmoins, la couronne pourrait être agencée au niveau de ses surfaces externes de manière à présenter une configuration qualifiée de"tricône"ou"trépan à molette". Dans cette configuration bien connue, de multiples molettes coniques montées dans un logement dans la couronne 12 tournent, des"dents"étant réparties tout autour des surfaces extérieures des molettes.
Les"dents", qualifiées d'éléments de coupe mordent donc dans une formation rocheuse avec un mouvement de rotation composé, car les molettes coniques tournent par rapport à la couronne 14 et la couronne tourne par rapport à la formation. La présente invention, en permettant un autoalignement de la couronne 12, égalise les charges imposées sur les dents et les paliers des molettes coniques.
Ainsi, une réduction des ruptures de dents et de paliers résulte de l'effet d'équilibrage des charges de l'autoalignement assuré par la présente invention.
Les particularités des formes de réalisation illustrées et décrites ici peuvent être combinées pour former d'autres configurations par un spécialiste ordinaire en ce domaine. Sans limiter la portée de l'invention revendiquée aux formes de réalisation décrites, l'invention ici exposée n'est limitée que par les revendications annexées.