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DISPOSITIF LIMITEUR DU COUPLE D'UN TRÉPAN ARRIÈRE-FOND DE L'INVENTION
Domaine de l'invention : La présente invention concerne en général des trépans de forage rotatifs utilisés pour le forage souterrain et plus spécifiquement des trépans de forage rotatifs utilisant un dispositif limiteur du couple, permettant la rotation du train de tiges par rapport à la couronne du trépan lors de l'application d'un couple de réaction prédéterminé à la couronne du trépan de forage.
État de la technique : L'équipement utilisé dans les opérations de forage est bien connu dans la technique et comprend en général un trépan de forage fixé à un train de tiges, englobant une tige de forage et une masse-tige. Une table rotative ou un autre dispositif, par exemple un dispositif d'entraînement supérieur peuvent être utilisés pour faire tourner le train de tiges, entraînant une rotation correspondante du trépan de forage. Les masses-tiges, plus lourdes et plus rigides que la tige de forage, sont normalement utilisées sur la partie inférieure du train de tiges pour ajouter du poids au trépan de forage. Le poids de ces massestiges facilite la stabilisation du trépan de forage contre la formation au niveau du fond du trou de forage, entraînant le forage lors de la rotation.
L'application d'un poids trop important au trépan (WOB) peut toutefois entraîner un blocage du trépan de forage.
Les moteurs du fond peuvent aussi servir à faire tourner le trépan de forage et englobent deux composants de base : un rotor, constitué par une tige d'acier ayant la forme d'une spirale ou d'une hélice, et un stator, constitué par un manchon de caoutchouc moulé dans un boîtier tubulaire rigide, formant un passage en spirale pour recevoir le rotor. Lorsque le rotor est adapté à l'intérieur du stator, la différence concernant la forme géométrique des deux composants entraîne une série de cavités à travers lesquelles est pompé le fluide de forage. Le fluide déplace ainsi le rotor, l'entraînant à tourner lorsque le fluide continue à s'écouler entre le rotor et le stator. Un arbre de sortie connecté au rotor transmet sa rotation au trépan.
Un trépan de forage rotatif typique englobe un corps de trépan fixé à une queue d'acier comportant une connection à broche filetée pour fixer le corps du trépan au train de tiges ou à l'arbre de sortie d'un moteur de fond, et une couronne comprenant la partie du trépan comportant les structures de coupe destinées à entailler la formation. Lorsque le trépan
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est un trépan à dispositif de coupe fixe ou à lames, la structure de coupe englobe en général une série d'éléments de coupe composés d'une substance superabrasive, par exemple de diamant polycristallin, orientés dans la face du trépan à un angle par rapport à la surface entaillée.
D'un autre côté, lorsque le trépan comporte des dispositifs de coupe rotatifs, comme sur un trépan tricône, chaque cône tourne individuellement par rapport au corps du trépan et englobe une série de dents en saillie, pouvant faire partie intégrante du cône ou comprendre des éléments rapportés formés séparément.
Le corps du trépan d'un trépan à lames est en général composé d'acier ou d'une matrice de matériau particulaire dur, par exemple de carbure de tungstène, infiltré d'un liant, en général d'un alliage à base de cuivre.
Dans le cas de trépans à corps en acier, le corps du trépan est normalement usiné à partir de ronds pour lui conférer la forme voulue, normalement avec des cours d'eau internes pour délivrer le fluide de forage à la face du trépan. Les caractéristiques topographiques sont ensuite définies en des emplacements précis sur la face du trépan par usinage, en utilisant typiquement une machine-outil à cinq axes à commande par ordinateur. Pour un trépan à corps en acier, on peut appliquer un soudage dur pour la face du trépan et les autres zones critiques de l'extérieur du trépan, les éléments de coupe étant fixés à la face du trépan, généralement par insertion des extrémités proximales de tiges sur lesquelles sont montés les éléments de coupe, dans des ouvertures alésées dans la face du trépan.
L'extrémité du corps du trépan opposée à la face est ensuite filetée, préparée et soudée à la queue du trépan.
Dans le cas d'un corps de trépan du type à matrice, on utilise normalement une"ébauche"du trépan en acier ou en un autre matériau approprié en vue du renforcement interne de la matrice du corps du trépan. L'ébauche peut être simplement cylindrique et tubulaire, ou peut avoir une configuration complexe et englober des saillies correspondant à des lames, des ailes ou d'autres structures sur la face du trépan.
D'autres éléments préformés composés de sable, ou dans certains cas de particules de carbure de tungstène, dans un liant polymérique souple, peuvent aussi être utilisés pour définir des cours d'eau internes et des passages en vue de l'amenée du fluide de forage à la face du trépan, ainsi que des socles des éléments de coupe, des nervures, des méplats, des déplacements de buse, des fentes à débris et d'autres structures topographiques externes du trépan. L'ébauche et d'autres éléments préformés sont placés en des emplacements appropriés dans le moule, utilisé pour couler le corps du trépan avant le
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remplissage du moule de carbure de tungstène.
L'ébauche est reliée à la matrice et à l'intérieur de celle-ci lors du refroidissement du corps du trépan après l'infiltration de carbure de tungstène avec le liant dans un four, les autres éléments préformés étant enlevés après le refroidissement de la matrice. La queue filetée est ensuite soudée à l'ébauche du trépan.
Les éléments de coupe (composés typiquement de diamant, et le plus souvent d'un aggloméré compact de diamant polycristallin synthétique ou PDC) peuvent être reliés à la face du trépan par le liant solidifié après le traitement au four du corps du trépan. Des PDC thermiquement stables, appelés normalement TPS peuvent être reliés à la face du trépan par le procédé de traitement au four ou peuvent y être reliés ultérieurement, par exemple par brasage, collage ou fixation mécanique.
Pour que les éléments de coupe puissent entailler la formation de façon appropriée au cours d'une opération de forage, un couple considérable est nécessaire pour produire la force de rotation nécessaire entre les éléments de coupe et la formation, avec un WOB suffisant pour assurer une profondeur de coupe appropriée. Le couple résultant ou de réaction appliqué sur le trépan par le contact avec la formation est transmis par le train de tiges et doit être dépassé par le moyen utilisé pour faire tourner le train de tiges, par exemple une table rotative, un dispositif d'entraînement supérieur, ou un moteur de fond.
Dans certains cas, par exemple lors du forage de formations plus dures, le couple résultant peut entraîner un enroulement et un relâchement subits du train de tiges sous l'application du couple, se manifestant sous formes de"claquements"du train de tiges au niveau de la table rotative. Dans d'autres cas, le couple peut être suffisant pour arrêter effectivement la rotation du trépan. La table rotative peut continuer à faire tourner le train de tiges pendant un certain temps,"tordant"en fait le train de tiges et soumettant le trépan à des charges de couple très élevées avant qu'un opérateur ne réalise que le trépan ne tourne plus.
Ce problème est particulièrement important dans le cas de trépans à lames, par suite de l'engagement direct dans la formation des dispositifs de coupe PDC fixes, mais se manifeste aussi dans les trépans tricônes. Dans un tel cas, la table rotative continuant à tourner, le train de tiges, le trépan et/ou les composants correspondants peuvent être endommagés, le train de tiges pouvant même être détaché par les charges du couple. En cas d'une défaillance du train de tiges, la partie du train de tiges au-dessus du point de rupture doit être sortie du puits de forage. Un as-semblage de"pêche"inséré dans le puits
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de forage est ensuite normalement utilisé pour essayer de retirer le restant du train de tiges.
Si l'enlèvement est difficile ou s'il ne réussit pas, il faut fléchir un nouvel assemblage de forage,"manoeuvré" ou dirigé autour du"poisson". Un quelconque scénario de ce type accroît le coût de production et entraîne un temps d'arrêt de l'opération de forage, pendant que le restant du train de tiges cassé est"repêché"du puits de forage et remplacé par d'autres assemblages de fond.
En cas d'utilisation d'un moteur de fond pour faire tourner le trépan de forage, un accroissement brusque de la pression de surface du fluide de forage peut indiquer que le moteur est bloqué. D'autres conditions peuvent certes entraîner un accroissement de la pression du fluide, par exemple un moteur bloqué ou des buses bouchées, si le moteur est bloqué parce que le trépan ne tourne plus par suite de l'application d'un couple excessif au trépan, et est maintenu dans un état bloqué, la garniture élastomère du stator peut être endommagée, empêchant l'établissement d'une surface de jonction appropriée entre le stator et le rotor, exigeant ainsi la sortie du moteur du trou de forage et son remplacement.
Il est nécessaire au moins de tirer l'assemblage de fond, englobant le moteur, au niveau du sol, le forage et la circulation devant être recommencés pour faire démarrer le moteur avant le rengagement du trépan dans la formation.
En plus de l'endommagement des trains de tiges et des trépans, le forage directionnel présente son propre groupe de problèmes en cas d'application d'un couple excessif au trépan de forage. Un puits directionnel doit couper une cible pouvant se situer à plusieurs milles audessous de l'emplacement de surface de l'installation de forage, décalée latéralement de celle-ci. Pour atteindre la cible, le trou de forage doit être dirigé ou guidé le long. d'une trajectoire prédéterminée. La trajectoire du trépan est typiquement déterminée par l'orientation de la face de l'outil (TFO), devant être maintenue au cours du forage pour maintenir la trajectoire du trou du puits en direction de la cible voulue.
Si la TFO est déplacée par suite du blocage d'un trépan de forage, le forage doit être arrêté, une nouvelle TFO étant ajustée comme point de référence pour la direction du forage. Un décalage de la TFO est certes remarqué rapidement par l'opérateur, par suite de la nature pour l'essentiel en temps réel des transmissions d'impulsions de boue de la MWD (mesure en cours de forage), mais la perte de la TFO et le réajustement correspondant entraînent une réduction considérable de la vitesse de pénétration globale (ROP) de l'assemblage de forage.
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Il serait donc avantageux de fournir un assemblage de trépan de forage englobant un dispositif limiteur du couple, faisant ou bien partie intégrante de la construction du trépan ou fixé près du trépan, entre le trépan de forage et le train de tiges, ou agencé entre le moteur de fond et le trépan de forage.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
La présente invention fournit un dispositif limiteur du couple, permettant la rotation du train de tiges par rapport à la structure de coupe du trépan, en présence d'un couple prédéterminé appliqué à la structure de coupe du trépan. Le dispositif limiteur du couple peut être incorporé dans la structure du trépan même, être une structure séparée fixée au trépan de forage ou être agencé près du trépan entre le train de tiges et le trépan. Dans tous les cas, le dispositif limiteur du couple empêche le déplacement de la structure de coupe par rapport au train de tiges au cours du fonctionnement normal.
Lors de l'application d'un couple prédéterminé à la structure de. coupe du trépan, le limiteur du couple permet la rotation du train de tiges par rapport à la structure de coupe stationnaire jusqu'à la réduction du couple au-dessous du niveau prédéterminé, typiquement en détournant le train de tiges pour réduire le WOB.
Dans une forme de réalisation préférée, comportant le dispositif limiteur du couple faisant partie intégrante d'un trépan de forage, le trépan à dispositif de coupe fixe est composé d'une couronne pour établir une face de coupe à laquelle peuvent être fixés plusieurs éléments de coupe ainsi qu'une queue pour supporter la couronne et pour fixer la couronne à un train de tiges. La couronne comporte une chambre interne pratiquement cylindrique, dimensionnée et formée de sorte à s'adapter à l'extrémité proximale de la queue et à effectivement couvrir celle-ci, ayant aussi une configuration généralement cylindrique. La queue et la couronne sont assemblées par ajustement, sans gêner la rotation entre le couronne et la queue.
Dans une forme de réalisation préférée, le périmètre de la queue comporte un certain nombre d'évidements agencés de sorte à s'adapter à des évidements correspondants formés dans la paroi de la chambre interne de la couronne. Un élément poussoir composé de matériau élastique ou un ressort est placé dans chaque évidement formé dans la queue. Un élément de retenue, composé de préférence d'un matériau dur, par exemple d'acier, est
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ensuite agencé en haut de chacun des éléments poussoirs (radialement à l'extérieur de ceux-ci). Lors de l'assemblage longitudinal de la queue et de la couronne, l'élément de retenue comprime l'élément poussoir et est poussé par la paroi de la chambre interne de la couronne dans l'évidement formé dans la queue.
La partie inférieure de l'élément de retenue peut être effilée pour faciliter l'assemblage du dispositif limiteur du couple.
Lorsque la queue et la couronne sont complètement engagées, l'élément poussoir pousse l'élément de retenue dans l'évidement dans la paroi de la chambre interne.
En cas d'application d'un couple suffisant à la couronne du trépan, l'élément de retenue est poussé contre l'élément poussoir en-dehors de l'évidement dans la paroi de la chambre interne de la couronne. La queue peut alors tourner par rapport à la couronne. En cas d'utilisation d'un seul élément de retenue et d'un seul évidement, faisant partie du dispositif limiteur de couple, la queue accomplira une rotation complète avant que l'élément de retenue ne puisse s'engager de nouveau dans l'évidement. Si le couple est toujours suffisant, la queue continue à tourner jusqu'à ce que le couple soit suffisamment réduit, l'élément de retenue étant réaligné avec l'évidement. On prévoit de préférence plus d'un élément de retenue et plus d'un évidement, espacés autour du périmètre de la queue.
L'élément ou les éléments de retenue peuvent ainsi se rengager dans d'autres évidements, en fonction de la réduction suffisante du couple. L'élément de retenue peut en outre être orienté longitudinalement ou orienté à un certain angle par rapport à l'axe du trépan. L'engagement de l'élément ou des éléments de retenue dans les évidements ou le dégagement correspondant se manifestent sous forme de vibrations sur le plancher de l'installation de forage, avertissant le foreur pour qu'il réduise le WOB.
Dans une autre forme de réalisation préférée, dans laquelle le dispositif limiteur du couple fait partie du trépan de forage même, la couronne est fermement fixée à une ébauche de trépan pratiquement cylindrique. L'ébauche et la queue sont alors fixées de façon similaire à la forme de réalisation ci-dessus, englobant le dispositif limiteur du couple. Une telle configuration peut être nécessaire lorsque la couronne est composée d'un matériau relativement fragile, par exemple de carbure de tungstène, la formation d'évidements et l'engagement ainsi que le nouvel engagement d'un élément de retenue pouvant entraîner une fissuration de la couronne.
L'ébauche est ainsi de préférence composée d'un matériau plus
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malléable, la couronne étant composée d'un matériau plus résistant à l'abrasion, les évidements nécessaires à l'engagement de l'élément de retenue étant formés dans l'ébauche.
Dans l'une quelconque des formes de réalisation ci-dessus, une queue standardisée pourrait être fabriquée pour recevoir une variété de tailles et de configurations de couronnes et/ou de dispositifs de coupe. Dans une forme de réalisation encore différente, la couronne est configurée de sorte à être insérée dans l'extrémité proximale de la queue, l'extrémité proximale de la queue comportant une chambre pratiquement cylindrique qui y est formée, destinée à s'adapter à l'extrémité proximale de la couronne.
Le dispositif limiteur du couple des formes de réalisation ci-dessus est utilisé d'une manière pratiquement similaire pour limiter le couple pouvant être appliqué à la couronne du trépan.
Dans une autre forme de réalisation préférée, dans laquelle le dispositif limiteur du couple fait partie du trépan même, une paire de bandes est agencée entre la queue et l'ébauche, une bande étant fixée à chacun de ces éléments. Les bandes maintiennent leur position relative par suite d'un ajustement à friction mais peuvent glisser l'une par rapport à l'autre en cas d'application d'un couple prédéterminé à la couronne du trépan. Les bandes peuvent en outre avoir différentes orientations, englobant une orientation verticale, horizontale ou une quelconque orientation angulaire. Une bande ou les deux bandes peuvent en outre être composées d'un matériau élastique, par exemple d'élastomères synthétiques, le matériau de la bande pouvant être rempli de particules ou de fibres d'amiante ou d'autres composés de matériau de frein.
L'emplacement des bandes peut être déterminé par les fluides du puits de forage, les matériaux de la bande pouvant aussi être sélectionnés de sorte à fonctionner dans un environnement de puits de forage. Un tel dispositif limiteur du couple agirait sous forme d'un élément d'embrayage, les bandes restant dans une relation stationnaire aussi longtemps que la force entre elles, entraînée par le couple appliqué sur le couronne, ne dépasse pas le coefficient de friction statique entre les bandes. Le dispositif limiteur de couple pourrait de même être utilisé avec les trépans tricônes ainsi qu'avec les trépans de carottage ou d'autres trépans utilisés dans le forage rotatif.
Dans une autre forme de réalisation préférée, le dispositif limiteur du couple englobe plusieurs rouleaux entraînés par la charge (rouleaux
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d'embrayage), permettant une rotation lors de l'application d'un couple ou d'une charge prédéterminés à la structure de coupe du trépan.
Dans une autre forme de réalisation préférée, un limiteur de couple du type à rochet peut être composé de deux anneaux pratiquement concentriques composés de matériaux similaires ou différents, comportant chacun des dents ou des saillies s'engageant par contact les uns dans les autres et se dégageant lors de l'application d'un couple prédéterminé à la structure de coupe du trépan.
Dans une autre forme de réalisation, dans laquelle le dispositif limiteur du couple selon la présente invention est séparé du trépan, le dispositif relie un trépan de forage typique à un train de tiges et/ou un moteur de fond. Le dispositif limiteur du couple englobe des structures de connexion, par exemple des filets, au niveau des deux extrémités, l'un servant à fixer le dispositif au trépan et l'autre à le fixer au train de tiges. Le dispositif peut faire partie d'un moteur de fond, ou avoir la forme d'une base proche du trépan.
De façon similaire à la construction des formes de réalisation du trépan de forage, le limiteur du couple peut être composé de deux structures de connexion, assemblées dans une interconnexion mâle-femelle et maintenues assemblées par des éléments de retenue engagés dans des évidements formés dans la paroi interne d'un connecteur. En cas d'application d'un couple suffisant au trépan par la formation, le dispositif limiteur du couple permet la rotation du train de tiges par rapport au trépan.
On comprendra que lorsque les éléments de retenue sont dégagés de leurs évidements respectifs, les deux structures de connexion ne doivent pas forcément être fixées axialement de façon mécanique l'une à l'autre, sauf lorsque des forces de friction sont appliquées par les éléments de retenue à la paroi interne d'une structure de connexion. Comme le trépan est poussé dans le fond du pui. ts de forage, les deux structures de connexion sont toutefois maintenues assemblées par le poids appliqué au train de tiges. Les deux structures de connexion ne seront ainsi pas séparées. Il en est de même en ce qui concerne les formes de réalisation dans lesquelles le dispositif limiteur du couple fait partie de la construction du trépan.
Il est toutefois possible d'utiliser, en fonction des besoins, des structures additionnelles connues dans la technique, pour maintenir la fixation des structures de connexion en cas d'application de forces de traction longitudinales lors de la sortie du puits de forage.
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Les hommes de métier comprendront que les configurations des éléments de retenue et poussoirs peuvent varier dans une quelconque des formes de réalisation ci-dessus. L'élément de retenue peut avoir par exemple une simple forme sphérique, une forme cylindrique, une forme en coin ou une autre forme appropriée, englobant des combinaisons correspondantes. Les éléments de retenue peuvent en outre être poussés par un segment de matériau élastique, un ressort à boudin, un ressort à lames, un ressort Belleville ou un autre moyen connu dans la technique.
Comme indiqué ci-dessus, un dispositif limiteur du couple selon la présente invention réduit le risque d'un endommagement du trépan, entraîné par un couple excessif, et signale rapidement à l'opérateur du forage l'application d'un couple excessif au trépan de forage par l'intermédiaire de vibrations ou d'ondes de choc.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une vue en partie en coupe d'un trépan de forage englobant une première forme de réalisation d'un dispositif limiteur du couple selon la présente invention ; la figure 2 est une vue en coupe de la forme de réalisation représentée dans la figure 1 ; la figure 2A est une vue en coupe d'une deuxième forme de réalisation d'un dispositif limiteur du couple selon la présente invention ; la figure 3 est une vue en partie en coupe d'un trépan de forage englobant une troisième forme de réalisation du dispositif limiteur du couple selon la présente invention ; la figure 4 est une vue en coupe de la forme de réalisation représentée dans la figure 3 ; la figure 5 est une autre vue en coupe de la forme de réalisation représentée dans la figure 3 ;
la figure 6 est une vue en partie en coupe d'un trépan de forage englobant une quatrième forme de réalisation du dispositif limiteur du couple selon la présente invention ; la figure 6A est une vue en partie en coupe d'un trépan de forage englobant une cinquième forme de réalisation du dispositif limiteur du couple selon la présente invention ; la figure 7 est une vue en coupe d'une sixième forme de réalisation d'un dispositif limiteur du couple selon la présente invention ;
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la figure 7A est une vue en coupe d'un trépan de forage englobant une septième forme de réalisation du dispositif limiteur du couple selon la présente invention ;
la figure 8 est une vue en partie en coupe d'une autre forme de réalisation d'un élément de retenue et de l'élément poussoir associé, agencés dans un dispositif d'accouplement proche du trépan selon la présente invention ; la figure 9 est une vue en partie en coupe d'un trépan de forage englobant une huitième forme de réalisation du dispositif limiteur du couple selon la présente invention ; la figure 9A est une vue en partie en coupe d'un trépan de forage englobant une neuvième forme de réalisation du dispositif limiteur du couple selon la présente invention ; la figure 10 est une vue en coupe d'un trépan de forage englobant une dixième forme de réalisation du dispositif limiteur du couple selon la présente invention ;
la figure Il est une vue en coupe d'un trépan de forage englobant une onzième forme de réalisation du dispositif limiteur du couple selon la présente invention ; la figure 12 est une vue en coupe d'un trépan de forage englobant une douzième forme de réalisation du dispositif limiteur du couple selon la présente invention ; et la figure 13 est une vue en partie en coupe d'un moteur de fond englobant un dispositif limiteur du couple selon la présente invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE LA FORME DE RÉALISATION ILLUSTRÉE.
La figure 1 montre un trépan de forage exemplaire 10 selon la présente invention, fixé par des filets 12 à une extrémité 14 d'un train de tiges 16. Le trépan de forage 10 comprend une couronne 18 fixée à une queue 20 par des éléments de retenue 22. La couronne 18 peut avoir une configuration typique de l'extérieur du trépan rotatif, englobant plusieurs éléments de coupe 24, des orifices de sortie de buse 26 et des patins de front de taille 28. Comme les trépans de configuration similaire connus dans la technique, la queue 20 englobe un plénum 21 s'étendant longitudinalement à travers la queue 20, en communication de fluide avec l'alimentation en fluide de forage 15 du train de tiges 16 et les orifices de buse 26 de la couronne du trépan 18.
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La couronne 18 comporte une chambre interne 30 définie par des parois 32 et 34 et un plancher 36. La chambre interne 30 a une forme pratiquement cylindrique et est dimensionnée de sorte à s'adapter par serrage autour de l'extrémité proximale 38 de la queue 20, qui a aussi une forme pratiquement cylindrique. La queue 20 et la couronne 18 forment une interconnexion mâle-femelle, de sorte que la queue 20 peut tourner dans la chambre interne 30 de la couronne 18.
Comme indiqué ci-dessus, la queue 20 est maintenue dans sa position relative par rapport à la couronne 18 par des éléments de retenue 22 débordant dans des évidements 40 formés dans la paroi 32 de la chambre interne 30. Les éléments de retenue 22 peuvent être composés d'acier, de bronze ou d'un quelconque autre matériau approprié connu dans la technique.
Les éléments de retenue 22 sont poussés radialement par les éléments poussoirs 42 agencés dans les évidements 41 formés dans la surface externe 44 de la queue 20, près de son extrémité proximale 38. Les éléments poussoirs 42 peuvent être composés d'un matériau élastomère élastique, par exemple de composés de caoutchouc naturel ou synthétique, de polyuréthane ou d'autres matériaux connus dans la technique, et peuvent avoir différentes valeurs de dureté mesurées au duromètre, en fonction de l'élasticité voulue en vue de l'adaptation à la limite du couple selon la conception envisagée.
Pour empêcher une entrée du fluide de forage provenant du plénum 21 ou de l'extérieur du trépan 10 entre la queue 20 et la couronne 18 ainsi que dans les évidements 40 et 41, des joints toriques d'étanchéité ou d'autres structures d'étanchéité 45 et 47 peuvent être utilisés pour assurer par rotation l'étanchéité de la couronne 18 par rapport à la queue 20.
Comme représenté plus clairement dans la figure 2, la section transversale du trépan 10 illustre la position des fentes à débris 43 et des patins de front de taille 28 par rapport aux éléments de retenue 22 et aux éléments poussoirs 42, agencés à distances égales autour du périmètre 46 de la queue 20. La forme de réalisation représentée dans la figure 2 englobe quatre assemblages limiteurs du couple 48. Les hommes de métier comprendront que le nombre des assemblages 48 n'est pas important et qu'il est possible de prévoir un ou plusieurs assemblages de plus. Il est toutefois avantageux d'agencer plusieurs assemblages limiteurs du couple 48 à des distances égales autour du périmètre 46 de la queue 20, de sorte qu'un quelconque élément de retenue 22 puisse s'engager dans un quelconque évidement 40.
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Comme illustré dans la figure 2A par exemple, chaque assemblage limiteur du couple 70 peut s'engager dans plusieurs évidements différents 71. En outre, chaque élément de retenue 72, ayant la forme d'une bille pratiquement sphérique, est certes illustré comme engagé par poussée dans un évidement 71 formé dans la couronne 73, mais les hommes de métier comprendront que les évidements 71 peuvent aussi être formés utilement dans la queue 74, chaque assemblage limiteur du couple 70 étant agencé dans la couronne 73.
En cas d'application d'un couple suffisant à la couronne 18 du trépan 10 pour charger les éléments de retenue 22 et les engager radialement par poussée dans les éléments poussoirs 42, sur une distance permettant un dégagement des éléments de retenue 22 du périmètre de la paroi interne 32 de la couronne 18, la queue 20 tourne par rapport à la couronne 18. Lors de chaque quart de rotation de la queue 20 par rapport à la couronne 18, les éléments de retenue 22 sont de nouveau engagés dans les évidements 40. Lorsque le couple appliqué à la couronne 18 est toujours suffisant pour dépasser les forces appliquées-par les éléments poussoirs 42 sur les éléments de retenue 22, la queue 20 continue à tourner. Sinon, les éléments de retenue 22 s'engagent de nouveau dans l'évidement suivant le plus proche 40, la couronne 18 tournant ensemble avec la queue 20.
Les éléments de retenue 22 de la forme de réalisation représentée dans les figures 1 et 2 ont une section transversale pratiquement cylindrique avec un côté plat 50 servant à établir un contact uniforme par l'élément poussoir 42 le long de la longueur et de la largeur de l'élément de retenue 22. Il faut noter aussi que le côté arrondi 52 de l'élément de retenue 22 ne doit pas s'étendre dans la couronne 18 sur une distance telle que l'élément de retenue forme un verrou mécanique entre la couronne 18 et la queue 20. En d'autres mots, le côté arrondi 52 doit pouvoir glisser endehors de l'évidement 40 lors de l'application d'un couple prédéterminé à la couronne du trépan 18.
Pour des objectifs d'assemblage, les éléments de retenue 22 comportent en outre une partie effilée 56, destinée à s'engager par glissement dans le bord biseauté 60 de la couronne 18. Lorsque la queue 20 et la couronne 18 sont ainsi glissées l'une vers l'autre lors de l'assemblage du trépan de forage 10, l'engagement de la partie effilée 56 dans l'évidement 41 est facilité par le bord biseauté 60.
Comme dans la forme de réalisation représentée dans la figure 1, le trépan de forage 100 représenté dans la figure 3 est fixé à un train de tiges 102 par une partie filetée 104. Le trépan englobe toutefois une
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ébauche tubulaire pratiquement cylindrique ou un élément rapporté de couronne 106, s'étendant longitudinalement le long d'une longueur du trépan 100, agencé entre la couronne 108 et la queue 110 près de son extrémité proximale 114. La couronne 108 est fixée fermement à l'élément rapporté 106, cette fixation pouvant être assistée par les saillies 112 pour retenir mécaniquement l'élément rapporté 106 par rapport à la couronne 108.
Les assemblages limiteurs du couple 116 sont agencés entre la queue 110 et l'élément rapporté 106 et près de l'extrémité proximale 114. Dans cette forme de réalisation, il n'est toutefois pas absolument nécessaire que les assemblages limiteurs du couple 116 soient agencés au niveau de l'extrémité proximale 114 ou près de celle-ci, ils pourraient aussi être agencés en un point quelconque le long de la surface de jonction 118 entre l'élément rapporté 106 et la queue 110. Comme dans la forme de réalisation précédente, chaque assemblage limiteur du couple 116 englobe un élément de retenue 120 et un élément poussoir 122 (dans ce cas un ressort à boudin).
L'élément de retenue 120, retenu dans l'évidement 124 par l'élément poussoir 122, comporte en outre un bord effilé 126 au niveau de son extrémité proximale 128. Au cours du procédé d'assemblage, la queue 110 étant glissée dans l'élément rapporté 106, ce bord effilé 126 contacte l'évidement biseauté 130 agencé sur le bord distal interne 132 de l'élément rapporté 106 et aide à pousser l'élément de retenue 120 dans l'élément rapporté 106. Comme mieux représenté dans la figure 5, qui est une vue en coupe du trépan de forage 100 prise à travers la surface de jonction entre l'élément rapporté 106 et le train de tiges 102, quatre évidements de ce type 130 sont prévus pour correspondre à chaque assemblage limiteur du couple 116.
La figure 4 montre une section transversale du trépan de forage 100 à travers les assemblages limiteurs du couple 116, l'élément rapporté 106 comportant un certain nombre de lames à extension radiale 150, correspondant aux lames externes 152 de la couronne 108. L'élément rapporté 106 établit un support structural pour la couronne 108, pour empêcher une rupture de la couronne 108 au cours du forage. Les éléments de retenue 120 ont une section transversale en forme de coin avec un bord effilé 154, qui, lors du positionnement dans l'évidement 124, s'étend dans l'évidement 156 pour établir une surface de glissement entre l'élément de retenue 120 et le bord 57 de 1'évidemment 124 au niveau de la surface interne 158 de l'élément rapporté 106. Il y a de nouveau quatre assemblages limiteurs du couple 116, espacés à des distances égales.
Les
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hommes de métier comprendront toutefois qu'on ne peut prévoir qu'un seul assemblage limiteur du couple 116 ou un nombre quelconque, pouvant être ajusté dans l'espace existant, en fonction de leur taille et de leur configuration.
Comme illustré dans la figure 3, des joints toriques d'étanchéité 134 et 136, ou d'autres joints connus dans la technique, agencés dans des cages 138 et 140 assurent respectivement l'étanchéité des assemblages limiteurs du couple 116 par rapport au fluide de forage contenu dans le plénum 142 et du fluide de forage contenu à l'extérieur du trépan de forage 100. La figure 5 est une vue d'en haut de la cage du joint torique d'étanchéité 140.
La figure 6 est une vue en coupe partielle d'une autre forme de réalisation préférée d'un trépan de forage 160 selon la présente invention.
Dans cette forme de réalisation, une partie 162 de la couronne 164 est adaptée dans une chambre interne 166 définie par l'extrémité proximale 178 de la queue 170 dans une interconnexion mâle-femelle. L'assemblage limiteur du couple 172 est en outre composé d'un élément de retenue pratiquement sphérique 174 et d'un élément poussoir pratiquement cylindrique 176. La queue 170 peut ainsi tourner par rapport à la couronne 164 lorsqu'un couple suffisant appliqué à la couronne 164 pousse l'élément de retenue 174 vers l'élément poussoir 176, sur une distance suffisante pour que l'élément de retenue 174 soit dégagé de la paroi 178 définissant la chambre interne 166.
Des joints toriques d'étanchéité 180 et 182 positionnés respectivement dans des cages de joint torique d'étanchéité 184 et 186 assurent pratiquement l'étanchéité de l'assemblage limiteur du couple par rapport au fluide de forage.
Dans la figure 6A, le dispositif limiteur du couple du trépan 271 fonctionne de manière similaire à celle illustrée dans la figure 6. L'élément de retenue 270 et l'élément poussoir 272 sont toutefois orientés verticalement entre la couronne 274 et la queue 276.
La figure 7 montre que différentes modifications et ou combinaisons des formes de réalisation ci-dessus de l'assemblage limiteur du couple 200 peuvent être faites sans se départir de l'esprit de l'invention. L'élément de retenue 202 peut par exemple englober une partie semi-sphérique ou semicylindrique 204 au niveau de son extrémité proximale 206 destinée à s'engager dans un élément rapporté ou une couronne 208, et une tige de guidage ou une ailette 210 pour empêcher la rotation de la partie 204 lors
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du dégagement de l'évidement 212 et du rengagement correspondant. L'élément poussoir ou le ressort à boudin 214 est logé dans un premier évidement 216 formé dans la queue 218.
Le premier évidement 216 est suivi par un deuxième évidement 220, plus petit, dimensionné et formé de sorte à recevoir la tige ou l'ailette 210 à travers l'ensemble de son intervalle de déplacement. Comme illustré dans la figure 7A, l'élément de retenue et l'élément poussoir peuvent aussi former un seul composant de retenue intégral, par exemple un ressort 230. Un tel ressort 230 pourrait retenir la couronne 231 par rapport à la queue 232 lors de son engagement dans les parties d'engagement 233 dans la surface externe 234 de la queue 232.
Comme représenté, les parties d'engagement 233 comportent des évidements dans les surfaces externes 234, mais pourraient aussi être des parties aplaties, exigeant un fléchissement des ressorts 230 pour permettre la rotation de la couronne 231 par rapport à la queue 232.
D'autres formes de réalisation préférées de l'assemblage limiteur du couple selon la présente invention ont certes été illustrées comme englobant un élément poussoir et un élément de retenue, mais il est possible d'envisager aussi d'autres dispositifs, assurant un dégagement entre deux structures de forage connectées. Comme illustré dans les figures 9 et 9A par exemple, l'assemblage limiteur du couple 280 englobe une paire de bandes circonférentielles 282 et 284, dont au moins une est composée d'un matériau résistant à l'abrasion, mais élastique, les bandes 282 et 284 étant retenues par friction dans leur position relative et étant fixées respectivement par adhésion ou mécaniquement à la couronne 286 et à la queue 288.
Les bandes 282 et 284 restent dans une position relative l'une par rapport à l'autre aussi longtemps que la force entre les deux bandes 282 et 284 ne dépasse pas la force de retenue de l'assemblage des bandes 282 et 284, sur la base d'un coefficient de friction statique entre les deux bandes. Lorsque la force assurant l'assemblage des bandes 282 et 284 est dépassée, les bandes se déplacent toutefois l'une par rapport à l'autre, permettant la rotation de la couronne 286 par rapport à la queue 288. Les bandes doivent en outre être orientées de façon pratiquement verticale, comme illustré dans la figure 9, orientées de façon pratiquement horizontale ou orientées à un quelconque angle, comme illustré en outre dans la figure 9A.
Comme illustré en outre dans la figure 10, le dispositif limiteur du couple peut être composé d'une seule bande de friction 290, agencée entre la couronne 292 et la queue 294. La bande 290 peut être fixée ou bien à
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la couronne 292 ou bien à la queue 294, ou ne pas être fixée du tout. La couronne 292 peut ainsi tourner par rapport à la queue 294 lorsqu'un couple appliqué à la couronne 292 entraîne une force dépassant la force de friction statique entre la couronne 292 et la bande 290 ou la queue 294 et la bande 290. Les matériaux utilisés dans les garnitures de frein et les patins de véhicules à moteur sont particulièrement appropriés pour la bande 290.
Dans une forme de réalisation préférée encore différente, illustrée dans la figure 11, l'assemblage limiteur du couple 300 englobe une bande 302 de matériau élastique, par exemple en élastomère, fixée mécaniquement à plusieurs saillies 304, ou moulée sur celles-ci et agencée autour d'elles, les saillies s'étendant radialement à partir d'une surface externe 306 de la queue 308. Le déplacement de la bande 302 par rapport à la queue 308 est ainsi limité. La bande 302 englobe une couche 310 de matériau résistant à l'usure agencée sur sa surface externe 312, suivant le contour de la surface externe 312 de la bande 302. La surface externe 312 de la bande 302, et plus particulièrement le contour de la couche 310, sont configurés de sorte à être adaptés pratiquement au contour de la surface interne 314 de la couronne 316.
Dans cet exemple, la surface interne 314 de la couronne 316 a une configuration en zigzag, ondulée ou nervurée, se répétant uniformément autour de la surface interne 314. En cas d'application d'un couple suffisant à la couronne 316, la couronne 316 peut tourner par rapport à la queue 308, la couche 310 protégeant la bande 302 contre un endommagement ou une destruction par la surface interne 314 de la couronne 316. On comprendra aussi qu'on a certes illustré une configuration en zigzag, mais que la surface de jonction entre la bande 302 et la couronne 316 peut être similaire à une onde sinusoïdale, des dents de scie, ou avoir une quelconque autre configuration voulue.
Un tel agencement peut être formé en utilisant un élastomère d'une dureté mesurée au duromètre pour la bande 302, comportant une deuxième couche à dureté mesurée au duromètre plus élevée 310, moulée au-dessus. Les polyuréthanes sont particulièrement appropriés pour un tel agencement.
Comme représenté dans la figure 12, l'assemblage limiteur du couple 320 peut englober en outre un ou plusieurs éléments d'embrayage rotatifs 322, retenus dans une relation fixe par rapport à la queue 324, mais pouvant tourner le long d'une surface interne 326 de la couronne 328 lors de l'application d'un couple suffisant à la couronne 328.
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Le dispositif limiteur du couple selon la présente invention peut aussi être incorporé dans un dispositif de couplage proche du trépan 250, comme illustré dans la figure 8, montrant un assemblage limiteur du couple 252 comme décrit ci-dessus. Le dispositif de couplage 250 comprend deux structures de surface de jonction ou connecteurs 254 et 256. Le premier connecteur 254 serait typiquement fixé à un train de tiges, connu dans la technique, le deuxième connecteur 256 étant fixé à un trépan de forage typique. Comme dans les autres formes de réalisation décrites ci-dessus, les assemblages limiteurs du couple 252 sont amovibles et permettent une rotation de la première structure de surface de jonction ou connecteur 254 par rapport à la deuxième structure de surface de jonction ou connecteur 256.
Le dispositif de couplage 250 englobe aussi un plénum 255 pour permettre le passage du fluide de forage d'un train de tiges vers un trépan de forage. Le joint torique d'étanchéité 258 placé dans la cage 260 et un autre joint torique d'étanchéité agencé dans la cage 262 pourraient servir à assurer l'étanchéité des assemblages limiteurs du couple 252 et du dispositif de couplage 250 par rapport à un train de tiges connecté et au trépan. Un tel dispositif de couplage 250, comprenant un assemblage limiteur du couple 252, permettrait à un trépan de forage typique de présenter un pouvoir de limitation du couple sans modifier le trépan même ou la fabrication d'un tel trépan.
Les hommes de métier comprendront que l'utilisation de la présente invention facilite l'emploi des trépans à lames comportant des dispositifs de coupe PDC agressifs, par exemple ceux ayant une inclinaison arrière minimale ou nulle ou même une inclinaison avant (positive) des faces de coupe. Les trépans selon la technique antérieure utilisent en partie des dispositifs de coupe à inclinaison négative pour limiter le couple, ceci limitant toutefois aussi la ROP, les passages étant ainsi plus longs pour un intervalle de trou de forage donné, en vue de protéger le trépan et le train de tiges contre un endommagement.
Au cours d'une opération de forage utilisant un trépan de forage incorporant un dispositif limiteur du couple selon la présente invention, la couronne du trépan arrêtant sa rotation, les vibrations produites par le dégagement et le rengagement du dispositif limiteur du couple signalent rapidement à l'opérateur que la couronne ne tourne pas. Les paramètres de forage peuvent alors être ajustés immédiatement pour réduire le WOB appliqué à la couronne du trépan, ou dans le cas d'un moteur de fond, l'écoulement du fluide de forage ainsi que le WOB.
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Les hommes de métier comprendront que de nombreuses modifications et combinaisons des formes de réalisation peuvent être faites sans se départir de l'objectif de l'invention et en particulier des revendications annexées.
Les éléments du dispositif limiteur du couple illustrés comme faisant partie intégrante du trépan de forage pourraient plus spécifiquement être incorporés dans un dispositif limiteur du couple proche du trépan ou en un point quelconque entre le train de tiges et le trépan de forage. Comme illustré dans la figure 13, un dispositif limiteur du couple pourrait par exemple être agencé en plusieurs emplacements le long d'un moteur de fond 330. Un dispositif limiteur du couple selon l'invention peut être utile au niveau d'un point A entre un moteur de fond 330 et un trépan 332, au niveau d'un point 8 entre le moteur 330 et un train de tiges 334, ou même au niveau d'un point C, dans le moteur 330, par exemple dans un boîtier de support 336 au-dessous de la section rotor/stator 338 et de l'assemblage de tige de connexion 340.
Le dispositif limiteur du couple est en outre certes illustré en référence à un trépan à dispositif de coupe fixe, mais il peut aussi bien être utilisé avec un trépan de cône à molettes (appelé également trépan"tricône"ou trépan"roche") ou faire partie intégrante de celui-ci, ainsi qu'avec des trépans de carottage ou d'autres trépans utilisés dans le forage du type rotatif. Les hommes de métier comprendront en outre que les configurations des composants pourraient être changées entre les formes de réalisation, le type et/ou la forme de l'élément de retenue et/ou le type et/ou la forme de l'élément poussoir pouvant par exemple être changés.
L'agencement des assemblages limiteurs du couple peut en outre être inversé, de sorte que les éléments de retenue sont agencés radialement vers l'intérieur, poussés par les éléments poussoirs supportés par la couronne (ou l'ébauche) dans des évidements de coopération formés dans la queue. On estime ainsi que l'essence de l'invention consiste à fournir un dispositif limiteur du couple dans un trépan de forage ou entre un train de tiges ou un moteur de fond, ceci étant connu dans la technique, et un trépan, de sorte que le train de tiges ou l'arbre de commande du moteur peuvent continuer à tourner pendant que la couronne du trépan reste stationnaire après le dépassement d'un couple prédéterminé par le trépan de forage.