BE1013076A5

BE1013076A5 - Trepan de forage de terre comportant un joint de palier ameliore.

Info

Publication number: BE1013076A5
Application number: BE9800906A
Authority: BE
Inventors: F Zahradnik Anton; C Sullivan Eric; Lin Chih; Terry J Koltermann; R Schimdt Scott
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2001-09-04
Also published as: US6142249A; ITTO981053A1; GB2332461A9; GB2332461B; ITTO981053A0; GB2332461A; IT1303588B1; US6026917A; GB9827666D0

Abstract

Un trépan de forage de terre comporte un corps de trépan et au moins un arbre de palier s'étendant vers l'intérieur et vers le bas à partir du corps du trépan. L'arbre du palier comporte une base au niveau de laquelle il est relié au corps du trépan. Au moins un dispositif de coupe est monté de sorte à pouvoir touner sur l'arbre du palier et comporte des surfaces radicales et axiales coopérant avec la base de l'arbre du palier pour définir un presse-étoupe du joint du palier. Un palier est défini entre le dispositif de coupe et l'arbre du palier.Un élément de joint est agencé dans le presse-étoupe du joint secondaire est agencé dans le presse-étoupe du joint en un point opposé à la surface axiale du dispositif de coupe et coopère avec l'élément de joint pour assurer au moins l'étanchéité partielle du presse-étoupe contre l'entrée de débris à partir de l'extérieur du trépan.

Description

TRÉPAN DE FORAGE DE TERRE COMPORTANT UN JOINT DE PALIER AMÉLIORÉ ARRIÈRE-FOND DE L'INVENTION 1. DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne en général des trépans de forage de terre, en particulier du type comportant des dispositifs de coupe rotatifs dans lesquels des assemblages de joint retiennent le lubrifiant dans les zones du palier.

2. INFORMATIONS CONCERNANT LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE :
L'un des moyens de joint utilisés dans les trépans de forage de terre du type comportant des dispositifs de coupe rotatifs qui ait connu le plus de succès est le joint torique d'étanchéité décrit dans le brevet Galle US no. 3397928, cédé à la déposante. Le joint torique d'étanchéité assure avec succès le confinement du lubrifiant dans la zone du palier, tout en excluant les débris pendant de longues périodes de temps avant une détail tance.

Un joint plus récent est le joint à face rigide ou métallique. Dans le joint du type à face rigide. l'Interface du joint se situe entre une ou deux bagues d'étanchéité rigides, composées normalement d'acier. Un ou deux joints toriques d'étanchéité servent à activer les faces du joint de la bague ou des bagues rigides ou à entraîner un contact entre eux. Le joint à face rigide a donné d'aussi bons résultats que le joint torique d'étanchéité et présente un pouvoir d'adaptation amélioré à des fluctuations de la pression dans le lubrifiant du trépan.

Le joint Belleville constitue une conception un peu moins réussie : dans celui-ci, des éléments élastomères sont reliés a une bague métallique rigide ou
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une rondelle. placée sous compression dans le presse-étoupe du joint, les 1 éléments élastomères assurant la majeur partie de étanchéité.

Les trois types de joint sont exposés à un état connu comme garniture de boue. Cet état se présente lorsque les matières solides dans le fluide de forage ou la boue sont transférées dans le presse-étoupe du joint, adhérant au presse- étoupe et/ou aux surfaces des composants du joint et entraînant une déformation et/ou un glissement des composants élastomères du joint.

Ces particules risquent en outre d'accélére l'usure par abrasion des composants du joint.

Il existe une demande pour des assemblages de joint complétant le joint de support principal en facilitant la prévention d'une entrée de débris dans l'assemblage de joirt même.

RÉSUME DE L'INVENTION
Un objectif général de la présente invention consiste à fournir un trépan de forage de terre comportant un joint de support arélicré. p'us résistant à

l'usure et assurant une efficacité d'étanchéité améliorée pour des périodes de temps plus longues.

Cet objectif ainsi que d'autres objectifs de la présente invention sont réalisés par la fourniture d'un trépan de forage de terre comportant un corps de trépan et au moins un arbre de palier s'étendant vers l'intérieur et vers le bas à oartir du corps du trépan. Un palier est défini entre le dispositif de coupe et l'arbre du palier. L'arbre du palier comporte une base au niveau de laquelle il est relié au corps du trépan. Au moins un dispositif de coupe est monté de
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sorte à pouvoir tourner sur l'arbre du palier et coopère avec la base de l'arbre du palier pour former un presse-étoupe du joint du palier. Un élément de joint est agencé dans le presse-étoupe du joint du palier.

Un joint secondaire est agencé dans le presse-étoupe du joint près de la base de l'arbre du palier et coopère avec l'élément de joint pour assurer au moins une étanchéité partielle du presse-étoupe contre l'entrée de débris de l'extérieur du trépan.

Selon la forme de réalisation préférée de la présente invention, l'élément de joint est un joint a face rigide, englobant au moins une bague d'étanchéité rigide et au moins une bague d'activation élastique, assurant 1'étanchéité contre l'entrée de débris dans le palier du trépan.

Selon la forme de réalisation préférée de la présente invention, l'élément de joint secondaire est une bague élastomère continue agencée au niveau de la base de l'arbre du palier.

Selon la forme de réalisation préférée de la présente invention. le corps du trépan englobe une surface à usinage ultérieur adjacente a la base de l'arbre du palier. L'élément de joint secondaire peut être fixé par un adhésif à la surface à usinage ultérieur et/ou à la bague d'étanchéité rigide.

Selon la forme de réalisation préférée de 1a présente invention, l'élément de joint secondaire est une bague élastique en contact avec une partie de l'élément de joint.

DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 et une vue en coupe longitudinale d'une section du corps du trépan d'un trépan de forage de terre selon la présente invention ; la figure 2 est une vue en coupe longitudinale fragmentaire agranaie de l'arbre du palier et du joint selon la présente invention : la figure 3 est une vue en coupe fragmentaire agrandie ce l'assemblage de joint de la figure 2 : la figure 4 est une vue en coupe agrandie de la bague d'étanchéité statique secondaire de la figure 3 dans un état détendu.

DESCRIPTION DE LA FORME DE RÉALISATION PRÉFÉRÉE.

Le numéro de référence Il dans la figure 1 des dessins désigne un trépan de forage de terre comportant une partie supérieur filetée 13 destinée à être connectée à un élément de train de tiges (non représenté). Un passage de fluide 15 dirige le fluide de forage vers une buse (non représentée) faisant heurter le fluide de forage ou la boue contre le fond du trou de forage pour purger les déblais de la surface de la terre.

Un système de lubrification compensation de la pression 17 est contenu dans chaque section du corps, ces systèmes étant normalement au nombre de trois, et étant assemblés par soudage pour former le corps composé Le système de
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lubrification est de préférence similaire à celui décrit dans le brevet Galle US no. 4727942. cédé à la déposante.

Dans chaque section du corps, un passage du lubrifiant 19 s'étend à partir de chaque compensateur 17 vers le bas, coupant un autre passage de lubrifiant 21, dans lequel un bouchon sphérique 23 est fixé au corps par une soudure en bouchon 25. Les passages de lubrifiant 27 transfèrent le lubrifiant vers une surface de palier lisse cylindrique définie entre un élément rapporté cylindrique 29 (joint à ajustement serré dans le dispositif de coupe 33) et une surface cylindrique correspondante sur l'arbre du palier 30, débordant vers le bas et vers l'inténieur à partir d'une région externe et inférieure du corps du trépan. connue normalement sous le nom d'embase de bras.
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- e bouchon sphérique 23 retlent une série de roulements à billes 31. fixant par rotation le dispositif de coupe 33 à 1'arbre du palier 30. Plusieurs rangées d'éléments de coupe ou de dents 35 de désintégration de la terre, peuvant être composés de carbure de tungstène fritté, et fixés par ajustement serré dans des trous d'accouplement dans le dispositif de coupe 33. sont dispersés dans le dispositif de coupe. Un assemblage de joint 37. englobant un joint secondaire selon la présente invention, est agencé près de la base de l'arbre du palier 30 et confère le lubrifiant dans le palier tout en excluant les débris du palier.

Les figures 2 et 3 sont des vues er coupe agrandies du palier et de l'assemblage de joint du trépan de forage de terre selon la présente invention.

Une paire de surfaces axiales 39. 41 formées dans le dispositif de coupe 33 et la surface à usinage ultérieur 43 de la partie d'embase du bras du corps du trépan coopèrent avec une paire de surfaces radiales 45. 47 pour définir un stresse-étoupe du joint du palier, en général au n'veau ce la base de l'arbre du
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palie 30. Un joint à bague unique rigide ou à face métallique 37 est agencé dans le presse-étoupe du joint et englobe une bague d'étanchéité rigide 49 et un activateur d'un joint torique d'étanchéité 51, engageant de manière étanche une face du joint 53 sur la bague 49 dans une face de joint correspondante 41 sur un élément"aoporté 29 dans le dispositif de coupe 33.

Ce joint à face rigide est

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formé selon le brevet Kelly US no. 47533045, cédé à 1 a déposante, qui est incorporé dans la présente description à titre de référence.

L'assemblage de joint 37 peut être considéré comme un joint primaire, étant donné qu'il est destiné à assurer l'étanchéité du palier lisse contre l'entrée de matières étrangères ou de débris et a assurer l'adaptation aux fluctuations de la pression du lubrifiant. Le joint 37 est également un joint dynamique, étant donné qu'il assure t'étanchéité de l'interface mobile ou dynamique entre chaque dispositif de coupe et son arbre de palier ainsi que du mouvement de rotation relatif entre eux.

En plus du joint dynamique 37. une bague d'étanchéité secondaire 55 est agencée dans le presse-étoupe du joint en un point opposé entre l'assemblage de joint 37 et la surface à usinage ultérieur 43, pour assurer l'étanchéité du presse-étoupe du joint et de l'assemblage de joint 37 contre t'entrée de débris. en particulier contre les particules de boue qe forage à partir de l'extérieur du trépan 11, En vue du logement de la bague d'étanchéité 55 et du joint 37, la surface axiale 39 se trouve dans une rainure usinée dans la surface à usinage ultérieur 43, à une profondeur représentant environ un tiers à une moitié de l'épaisseur axiale nominale de la bague 55. On estime toutefois qu'une rainure n'est pas nécessaire et que la surface axiale 39 peut se situer au niveau de la surface à usinage ultérieur 47.

La figure 4 est une vue en coupe agrandie de la bague 55 selon la présente invention. La bague d'étanchéité secondaire 55 est de préférence une bague continue composée d'un élastomère de nitrile ayant une dureté (Shore A) d'environ 40 à 45 unités mesurées sur un duromètre, et un module de l'ordre de 100 à 200 psi/pouce/pouce. Selon la forme de réalisation préférée, on n'utilise pas d'adhésif pour fixer la bague 55 dans le presse-étoupe du joint. La bague d'étanchéité secondaire 55 peut aussi être attachée ou fixée par un adhésif à la surface axiale du presse-étoupe du joint 39 (ou de la surface à usinage ultérieur 43) ainsi qu'à la bague d'étanchéité rigide 49 pour améliorer son pouvoir d'étanchéité.

Comme la bague d'étanchéité secondaire 55 reste stationnaire avec la surface à usinage ultérieur 47 et qu'elle n'assure pas l'étanchéité du mouvement de rotation relatif, il s'agit d'un joint statique. contrairement au joint 37. qui est un joint dynamique.

Selon la forme de réalisation préférée de la présente invention, pour un trépan de 8-1/2 pouces, la bague d'étanchéité secondaire 55 a un diamètre extérieur 0 d'environ 2,480 pouces et une largeur radiale W d'environ 0, 211 pouce. Le diamètre extérieur D est sélectionné de sorte à dépasser d'environ
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0, 040 à 0, 060 pouce le diamètre extérieur de la bague rigide 49. Le diamètre intérieur et l'extrémité 57 de la bague d'étanchéité secondaire 55 sont configurés de sotte à être similaires et à s'adapter à la surface radiale 45 et 15 d'environ 0. 065 à la surface axiale 39 du presse-étoupe du joint.

Un rayon R2 d'environ 0, 085

pouce et un rayon de pointe R d'environ 0, 015 pouce sont établis au niveau de l'extrémité interne de la bague d'étanchéité secondaire 55
La bague 55 englobe également deux nervures surélevées 57 ayant une largeur comprise entre environ 0. 025 pouce et 0. 030 pouce et une hauteur comprise entre 0, 010 pouce et 0, 014 pouce. L'objectif des nervures consiste à former des zones à contrainte élevée pour empêcher l'entrée du fluide et/ou des débris dans le presse-étoupe du joint lorsque la bague d'étanchéité secondaire est entraînée à contacter la surface 39.

La bague 55 a une épaisseur axiale t de l'ordre de 0, 095 pouce (dans un état non comprimé ou détenu), celle-ci étant supérieure à l'espace formé entre la surface axiale 39 et l'extrémité de la bague d'étanchéité 49. L'objectif consiste à appliquer une"compression"suffisante sur la bague d'étanchéité secondaire 55 entre la surface axiale 39 et la bague d'étanchéité 49. Dans la forme de réalisation préférée, cette compression représente environ 2û% a 25% de l'épaisseur radiale non comprimée ou détendue t de la bague 55, avec utilisation de valeurs nominales, le dispositif de coupe étant poussé vers l'extérieur sur l'arbre du palier.

Un rayon RI d'environ 0, 125 pouce est établi, pour permettre la déformation de la bague d'activation 51 et pour s'adapter étroitement a celleci. La largeur restante w de la bague 55 est de l'ordre de 0, 104 pouce.

Dans la configuration assemblée, la zone dans le presse-étoupe du joint, délimitée par les surfaces 39 et 45, englobant les bagues 49. 51 et 55, est destinée à être assemblée de sorte à réduire l'air au minimum ou à l'exclure. Lors de l'assemblage, une bague continue composée d'une huile minérale lourde est appliquée sur au moins la surface axiale 39, la bague d'étanchéité secondaire 55 étant ensuite agencée dans le presse-étoupe du joint, la bague d'activation 51 et la bague d'étanchéité 49 étant ensuite Installées. Ce procédé d'assemblage permet d'assurer que les zones vides sont réduites au minimum ellou éliminées dans la zone ci-dessus du presse-étoupe du joint.

L'invention a été décrite en référence a des formes de réalisation préférées. Elle n'y est pas limitée, des variations et des modifications pouvant y être apportées sans se départir de l'objectif de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS 1. Trépan de forage de terre comportant un assemblage de joint de palier amélioré, le trépan de forage de terre comprenant : un corps de trépan ; au moins un arbre de palier, s'étendant vers intérieur et vers le bas à partir du corps du trépan, l'arbre du palier comportant une base au niveau de laquelle il est relié au corps du trépan : un dispositif de coupe monté de sorte à pouvoir tourner sur chaque arbre de palier, le dispositif de coupe englobant des surfaces axiale et radiale coopérant avec la base de l'arbre du palier pour définir un presse-étoupe du joint du palier, la surface axiale du dispositif de coupe étant dans un plan pratiquement perpendiculaire à un axe de l'arbre de palier, la surface radiale étant une surface annulaire concentrique à l'axe ;

un élément de joint primaire dynamique agencé dans le presse-étoupe'du joint, l'élément de joint primaire englobant au moins une bague d'étanchéité rigide qui est en contact dynamique avec la surface axiale du dispositif de coupe et un élément d'activation élastique, agencé dans le presse-étoupe du joint en contact avec la bague d'étanchéité rigide et l'arbre de palier. entraînant la bague d'étanchéité rigide contre la surface axiale du dispositif de coupe ;

et un élément de joint secondaire statique composé d'un matériau élastique et agencé dans le presse-étoupe du joint à la base de l'arbre de palier, les élément de joint secondaire et primaire ne pouvant pas assurer de mouvement relatif entre eux et n'étant pas en contact avec la surface radiale du dispositif de coupe, l'élément de joint secondaire et l'élément de joint primaire coopérant pour assurer l'étanchéité du presse-étoupe contre T entrée de matières étrangères et pour protéger l'élément d'activation de l'élément de joint primaire contre les débris.
2. Trépan de forage de terre selon la revendication 1, dans lequel l'élément de joint secondaire contacte au moins la bague d'étanchéité rigide de l'élément de joint primaire et assure l'étanchéité par rapport à celle-ci.
3. Trépan de forage de terre selon la revendication 1. dans lequel T élément de joint secondaire est une bague élastomère continue fixée au corps du trépan au niveau de la base de l'arbre du palier. <Desc/Clms Page number 7>
4. Trépan de forage de terre selon la revendication 1, dans lequel le corps du trépan englobe une surface usinée sur forme adjacente à la base de l'arbre du palier, l'élément de joint secondaire étant agencé près de la surface usinée sur forme.
5. Trépan de forage de terre selon la revendication 4, dans lequel une huile minérale est agencée entre la surface usinée sur forme et l'élément de joint secondaire pour remplir 1'espace vide dans le presse-étoupe du joint.
6. Trépan de forage de terre selon la revendication 1, dans lequel l'élément de joint secondaire est élastomère, assure l'étanchéité entre la base de l'arbre de palier et une partie de la bague d'étanchéité rigide, et est en contact avec une partie de l'élément d'activation.
7. Trépan de forage de terre selon la revendication 1. dans lequel l'élément de joint secondaire est une bague élastique fixée à une partie de l'élément de joint primaire.
8. Trépan de forage de terre comportant un assemblage de joint du palier amélioré, le trépan de forage de terre comprenant : un corps de trépan ; au moins un arbre de palier, s'étendant vers l'intérieur et vers le bas à partir du corps du trépan. l'arbre du palier comportant une base au niveau de laquelle il est relié au corps du trépan ; un dispositif de coupe monté de sorte à pouvoir tourner sur chaque arbre de palier, le dispositif de coupe englobant des surfaces d'étanchéité axiale et radiale coopérant avec la base de l'arbre du palier pour définir un presse- étoupe du joint du palier, la surface de l'axe du dispositif de coupe étant dans un plan pratiquement perpendiculaire à un axe de l'arbre de palier, la surface radiale étant une surface annulaire concentrique à l'axe ;

un élément de joint primaire agencé dans le presse-étoupe du joint, l'élément de joint primaire englobant, un élément de joint rigide et un élément élastique entraînant un contact étanche entre T ébattent de joint rigide st une surface d'étanchéité ; et un élément de joint secondaire élastique et élastomère, agencé dans le presse-étoupe du joint entre la base de l'arbre de palier et le joint primaire. l'élément de joint secondaire et l'élément de joint primaire coopérant pour protéger ensemble T élément élastique contre les débris et assurer l'étanchéité du presse-étoupe du joint contre l'entrée de débris. <Desc/Clms Page number 8> EMI8.1
9. Trépan de forage de terre selon la revendication 8, dans lequel l'élément de joint primaire et l'élément de joint secondaire ne sont pas en contact avec la surface d'étanchéité radiale du dispositif de coupe.
10. Trépan de forage de terre selon la revendication 8, dans lequel l'élément de joint secondaire contacte à la fois l'élément de joint rigide et l'élément élastique de l'élément de joint primaire, et assure l'étanchéité par rapport à ceux-ci.
11. Trépan de forage de terre selon la revendication 8, dans lequel l'élément de joint secondaire est une bague élastomère continue fixée au corps du trépan au niveau de la base de l'arbre du palier.
12. Trépan de forage de terre selon la revendication 8, dans lequel le corps du trépan englobe une surface usinée sur forme adjacente à la base de l'arbre du palier, l'élément de joint secondaire étant agencé prés de la surface usinée sur forme.
13. Trépan de forage de terre selon la revendication 12, dans lequel une huile minérale est agencée entre la surface usinée sur forme et l'élément de joint secondaire pour remplir l'espace vide dans le presse-étoupe du joint.
14. Trépan de forage de terre selon la revendication 8, dans lequel l'élément de joint secondaire comprend au moins un matériau élastomère.
15. Trépan de forage de terre selon la revendication 8. dans lequel l'élément de joint secondaire est une bague élastique fixée à l'élément de joint rigide de T élément de joint primaire.
16. Trépan de forage de terre comportant un assemblage de joint de palier amélioré, le trépan de forage de terre comprenant : un corps de trépan : au moins un arbre de palier, s'étendant vers l'intérieur et vers le bas à partir du corps du trépan, l'arbre du palier comportant une base et une surface usinée sur forme au niveau de laquelle il est relié au corps du trépan ; un dispositif de coupe monté de sorte à pouvoir tourner sur chaque arbre de palier, le dispositif de coupe englobant des surfaces d'étanchéité radiale et axiale coopérant avec la base de l'arbre du palier pour définir un presse-étoupe du joint du palier, la surface axiale du dispositif de coupe étant dans un plan pratiquement perpendiculaire à un axe de T arbre de parler, la surface radiale étant une surface annulaire concentrique avec l'axe ;

<Desc/Clms Page number 9> un élément de joint primaire agencé dans le presse-étoupe du joint. l'élément de joint primaire englobant au moins une bague d'étanchéité rigide et au moins un élément d'activation élastique entre l'arbre de palier et la bague d'étanchéité rigide entraînant un engagement étanche de la bague d'étanchéité dans la surface d'étanchéité axiale du dispositif de coupe ;

un élément de joint secondaire élastique et élastomère, agencé dans le presse-étoupe du joint en un point opposé à la surface d'étanchéité axiale du dispositif de coupe, de façon à être en contact immobile avec la surface usinée sur forme, l'élément de joint secondaire contactant à la fois la bague d'étanchéité rigide et l'élément d'activation de l'élément de joint primaire, et assurant l'étanchéité par rapport à ceux-ci, dans lequel l'élément de joint secondaire et l'élément de joint primaire coopèrent pour protéger l'élément d'activation contre les débris et assurer 1'étanchéité du presse-étoupe contre l'entrée de débris ;

et dans lequel les éléments de joint primaire et secondaire ne sont pas en contact avec la surface d'étanchéité radiale du dispositif de coupe.
17. Trépan de forage de terre selon la revendication 16, dans lequel l'élément de joint secondaire est une bague continue fixée au corps du trépan au niveau de la base de l'arbre du palmier.
18. Trépan de forage de terre selon la revendication 16, dans lequel T'élément de joint secondaire est fixé à la surface usinée sur forme ; dans lequel l'élément de joint secondaire est une bague élastique fixée à une partie de l'élément de joint-primaire.
19. Trépan de forage de terre selon la revendication 16, dans lequel une huile minérale est agencée entre la surface usinée sur forme et l'élément de joint secondaire pour remplir l'espace vide dans le presse-étoupe du joint.
20. Trépan de forage de terre selon la revendication 16, dans lequel l'élément de joint secondaire est une bague élastique fixée à la bague d'étanchéité rigide de l'élément de joint primaire.