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DISPOSITIF D'ENTRAINEMENT A MOUVEMENT ALTERNATIF ACTIONNE PAR UN FLUIDE, UTILISABLE NOTAMMENT POUR LE FORAGE DES PUITS.
La présente invention se rapporte aux dispositifs d'entraînement du type à mouvement alternatif, et elle concerne plus particulièrement un dispositif de ce type utilisable notamment comme outil de forage du type à impact afin de fournir un effet de coupe s'exerçant sur le fond d'un forage effectué dans le sol par la combinaison de la rotation usuelle d'un trépan à forer le sol sur le fond de ce forage et l'application simultanée d'impacts à ce trépan.
L'invention a notamment pour buts de permettre la réalisation d'un dispositif d'entrainement à mouvement alternatif actionné par un fluide de construction perfectionnée et présentant des caractéristiques de fonctionnement meilleures, qui soit d'un agencement compact et ait une longueur axiale limitée, afin que ce dispositif puisse être déplacé axialement de façon aisée dans un forage quand il est utilisé comme outil de forage de puits, et qui bien qu'ayant des dimensions limitées ou réduites puisse résister à des conditions de travail rigoureuses comme cela est le cas quand on utilise ce dispositif comme outil d'impact ou de percussion lors du forage de puit s.
L'invention a encore pour buts de permettre la réalisation d'un dispositif d'entraînement utilisable comme trépan de forage du type à impact, capable de conserver un rythme de forage satisfaisant tout en appliquant une force réduite au trépan quand les conditions de travail limitent l'emploi'd'une force élevée, de permettre l'obtention d'un dispositif du type considéré qui, lors de son utilisation comme trépan ou foret, fournisse une vitesse de forage satisfaisante,même quand on applique une force réduite sur le foret dans des zones où une force importante est normalement
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requise, de créer un dispositif du type à mouvement alternatif actionné entièrement par un fluide, ce qui supprime l'emploi de ressorts d'entrai- nement et les difficultés qui s'y rattachent et qui,
utilisé comme outil de forage de puits, ne produise pas de fortes variations de pression dans le fluide au voisinage de la paroi du forage, variations qui engendrent dans le cas contraire la cavitation de cette paroi.
L'invention concerne encore un outil de forage de puits du type à impact capable de communiquer des impacts à un trépan reposant sur le fond du puits ou d'entraîner ce trépan en un mouvement oscillant afin d'appliquer des impacts à la surface devant être désagrégée pour former le trou du puits.
D'autres buts encore de l'invention sont de permettre la réalisation d'un dispositif du type considéré équipé d'un mécanisme de vanne se déplaçant avec le piston et pouvant se déplacer également par rapport à lui, l'agencement étant tel que, pour une position prédéterminée du piston et de la vanne, la course active du dispositif soit interrompue et que l'effet de commande par vanne précédant la course suivante se produise quand le piston se dirige vers sa position terminale.
Enfin, un autre but de l'invention est de permettre la réalisation d'un dispositif du type considéré actionné par un fluide, comprenant un carter ou cylindre dans lequel est monté un piston pouvant se déplacer en va-et-vient, ce piston comprenant une partie supérieure annulaire et une partie inférieure de diamètre réduit, des joints d'étanchéité espacés l'un de l'autre étant prévus entre ces parties du piston et le carter,et des organes servant alternativement à diriger le fluide sous pression vers l'extérieur du piston entre les joints d'étanchéité et à retenir le fluide dans le piston, de manière à produire un déplacement alternatif de celuici.
La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'invention.
La fig. 1 est une vue en coupe verticale à travers un outil de forage suivant l'invention, montrant les organes dans la position relative qu'ils occupent au début de la course active ou de travail.
La fig. 2 est une vue en coupe verticale à plus grande échelle à travers la partie'supérieure du dispositif, montrant les positions relatives des organes à la fin de la course de travail.
La fig. 3 est une vue en coupe analogue à la fig. 2 mais montrant les positions relatives des organes quand le piston a atteint sa position inférieure.
La fig. 4 est une vue en coupe analogue à celle des figs. 2 et 3 mais montrant les positions relatives des organes un peu avant la fin d e la course de retour, quand l'énergie fournie par le fluide sert à soulever la vanne à l'écart de son siège avant le début de la course suivante vers le bas.
La fig. 5 est une vue en coupe de la partie inférieure du dispositif servant d'outil pour le forage des puits, montrant une variante selon laquelle l'outil est du type à marteau et enclume.
Sur les dessins, qui montrent un mode de réalisation de l'invention utilisé comme outil de forage de puits, le dispositif est représenté en 1. et comprend un raccord 2 fileté en 1 en vue de sa fixation à l'extrémité inférieure d'une colonne de forage.
Le raccord 2 porte en ¯4 un filetage externe prévu à son extrémité inférieure en vue de sa fixation sur le cylindre ou carter 5, formé d'un élément supérieur 6 et d'un élément inférieur 7 réunis par vissage en 8, ce mode de construction facilitant le montage et le démontage du carter, qui sert à la réception d'un piston 10
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dont l'extrémité inférieure de plus petit diamètre forme une tige 11 dirigée vers le bas et reliée par vissage en 12 à un manchon de guidage 1.2. sur lequel est fixé le trépan 14.
Un manchon ou conduit 15 est fixé dans le raccord 2, à partir duquel il pend vers le bas, en ménageant ainsi avec le carter environnant 5 une chambre 16, le carter présentant une série d'orifices ou de lumières 17 prévus dans la partie supérieure de cette chambre. Le manchon 15 présente entre ses extrémités une partie décolletée en 18 et forme un épaule- ment 19 voisin de l'extrémité libre de ce manchon et dont le but sera expliqué plus loin.
Le piston 10 est monté à coulissement dans le carter et comprend une tête annulaire 20 munie intérieurement d'un contre-alésage 9, de façon que la partie terminale de ce piston puisse se déplacer au delà de l'épaulement 19 ménagé sur le manchon 15. L'extrémité inférieure de la tête du piston est fixée sur le corps 21 par vissage en 22, et ce corps a une section droite réduite à sa partie inférieure de manière à former la tige 11. Le piston comprend ainsi une partie supérieure annulaire et une partie inférieure de plus petit diamètre, de manière à ménager une chambre annulaire 23' entre ce piston et le carter, des joints d'étanohéité espacés l'un de l'autre étant disposés entre ce piston et ce carter afin d'empêcher le fluide de fuir hors de cette chambre.
Le piston tel que décrit ménage également une chambre interne 23 pour la vanne 25 logée dans ce piston, cette vanne se déplaçant avec le piston et pouvant se mouvoir également à l'intérieur de celui-ci en un mouvement de va-et-vient, de manière telle que le fluide pompé vers le bas dans le raccord 2 et dans le carter (comme indiqué par la flèche ¯4) entraîne le piston en un mouvement alternatif pour fournir une énergie¯d'im- pact au trépan 14. De cette manière, la désintégration habituelle produite par la rotation du trépan est rehaussée par les impacts ou chocs de ce trépan sur le fond du forage.
La vanne 25 comprend une tige 26 qui se termine à son extrémité inférieure dans la tête.22. présentant des surfaces d'appui ou de portée supérieure et inférieure 28 et 29 coopérant respectivement avec des sièges supérieur et inférieur .30 et 31 ménagés sur les bagues de portée supérieure et inférieure 32 et 33.
L'extrémité supérieure de la tige 26 porte un piston de vanne 35 comportant un'bossage central 36 venant s'engager de façon coulissante sur la tige 26 et présentant des nervures ou ailettes 37 qui forment un croisillon de support pour la bague 38. Cette bague a des dimensions tellas qu'elle puisse se déplacer de façon télescopique dans la partie de la chambre 23 ménagée entre le manchon 15 et la paroi interne du piston 10 .
Le piston 35- de la vanne, est monté à coulissement sur l'extrémité supérieure de la tige 26 et il y est fixé par un écrou en capuchon 40. On remarquera que cet écrou 40, la tige 26 et la tête 27 présentent un canal axial 41, de sorte qu'une communication est assurée de façon permanente entre les faces supérieure et inférieure de la vanne.
Les bagues de portée 32 et 33 appartiennent à un dispositif de portée monté dans l'extrémité inférieure de la chambre 23. Ce dispositif comprend une bague de retenue 47 présentant des orifices 48 coopérant avec des orifices complémentaires 49 ménagés dans le piston, en assurant ainsi la communication entre l'intérieur du piston et la chambre 23' entre les bagues de portée.
Une autre bague d'écartement 50 repose sur la bague !il. et la bague formant portée 32 y est montée de façon coulissante. L'ensemble du dispositif est maintenu en place par une bague de serrage 52 que vient attaquer l'extrémité inférieure de la tête 20 du piston quand les éléments de ce piston sont assemblés par vissage en 22.
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Pour réduire les chocs au minimum quand la vanne vient buter sur la bague de portée 33, cette bague est montée de manière à pouvoir effectuer un déplacement axial limité sur une pièce annulaire 53 en matière déformable logée dans la chambre ménagée par la bague de retenue 45, la bague d'éèartemet 46 et la bague de portée.
La bague de portée 32 est montée de même, de manière à pouvoir effectuer un déplacement axial limité et elle présente une extrémité supérieure munie d'une gorge 12 la bride centrale dirigée vers le haut 56 ayant une dimension calculée pour lui permettre de coulisser dans la bague de serrage 52. Cette particularité de construction assure un effet d'amortissement par dash-pot qui,, conjointement aux forces agissant sur la bague de portée,empêche des contraintes excessives de se présenter dans certaines parties de l'ensemble par suite de la coopération du siège 30 avec la tête 27.
La tige de piston 11 traverse vers le bas une bague d'étanchéité et de guidage 60 qui forme le joint inférieur entre le piston et le carter, et cette bague sert également de butée pour le ressort annulaire 61 pouvant être attaqué par l'extrémité supérieure du manchon de guidage 13. On limite ainsi de façon élastique le déplacement vers le haut du piston et des organes associés et on absorbe son énergie, qui lui est restituée au début de la course suivante vers le bas.
Le manchon de guidage 13 présente des cannelures périphériques 65 venant coopérer avec des gorges complémentaires 66 du carter 5. On voit donc que le trépan 14 peut être entraîné en rotation de la manière usuelle mais* peut être également déplacé axialement au carter 5. quand le piston 10 est alternatif . Par suite de ce mode de fonctionnement, l'action habituelle du trépan 14 sur le fond du puits se conjugue aux impacts ou chocs obtenus lors du fonctionnement du trépan par suite de l'énergie fournie à l'outil par le fluide de lavage pompé dans la tige vers cet outil et le trépan 14.
Comme déjà indiqué, l'invention concerne un dispositif dans lequel l'utilisation de ressorts pour assurer le déplacement du piston ou de la vanne est inutile, et qui ne peut subir aucun grippage ou blocage Pour décrire plus avant l'agencement du dispositif et son mode de fonctionnement, on remarquera que, comme montré sur la fig. 4, la section droite annulaire E de la tête 20 du piston a une surface supérieure à la section droite totale F.de la,tige de piston 11. La surface totale C de la bague de portée 32 est également supérieure à la surface annulaire A de la bagne ±, et cette surface A est à son tour supérieure à la surface active B de la tête 27 de la vanne.
On supposera maintenant que les organes occupent les positions relatives montrées sur la fig 1 quand le fluide d'entraînement pénètre dans le dispositif comme indiqué par la flèche 24, mais on comprendra que le fonctionnement peut être déclenché quelles que soient les positions réelles du piston et de'la vanne quand on commande l'admission du fluide.
La force exercée sur le piston la et provoquant son déplacement vers le bas est celle engendrée par le fluide agissant sur la surface D, qui constitue la surface active sur laquelle agit la force dirigée vers le bas et exercée par le fluide.
Pendant la course active vers le bas qui s'ensuit, la tête 27 de la vanne est maintenue appliquée sur la bague de portée 32 par la différence entre la force dirigée vers le haut et agissant sur la surface A et la force dirigée vers le bas et agissant sur la surface plus faible B. Cette conditign,demeure et la course active se poursuit jusqu'à ce que le piston 35 de la vanne ne coopère plus de façon télescopique avec le manchon 15. Ceci marque la fin de la course active et le piston 10 continue à se déplacer vers le bas sous l'effet de son inertie.
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A ce moment,la force exercée sur la face inférieure de la bague 38 est neutralisée par une force analogue qui s'exerce maintenant sur la face supérieure de cette bague. Par suite, la force dirigée vers le bas exercée par le fluide sur la tête 27 provoque le déplacement vers le bas de la vanne, qui quitte le siège 30 de manière à ouvrir un passage à travers le piston.
Ce piston 10 continue à se déplacer vers le bas jusqu'à ce que le trépan 14 soit venu buter contre le fond du trou en cours de forage-Le mouvement du piston vers le bas est alors interrompu, mais l'inertie de la vanne 25 s'ajoutant à la pression exercée par le fluide sur la surface B provoque la fermeture rapide de cette vanne, qui s'applique sur la bague de portée 33. Comme déjà indiqué, la bague formant tampon 53a pour but de résister au choc correspondant à la fermeture par application de la vanne sur sa bague de butée.
Le fluide pompé est alors dévié par les orifices 48, 49 vers la chambre 23', dans laquelle il exerce une force dirigée vers le haut sur le piston, cette force correspondant à la différence entre les forces agissant sur les surfaces E et F, et en même temps la vanne est maintenue appliquée sur son siège inférieur par la pression du fluide sur la surface B. Par suite, le piston se déplace vers le haut en une course de retour.
Cette force continue à s'exercer jusqu'à ce que l'extrémité annulaire supérieure du piston 20 s'écarte de l'épaulement 19 prévu à la partie inférieure de la partie décolletée 18 du manchon 15. Dans l'intervalle, la bague 38 de la vanne 25 pénètre dans la partie annulaire ménagée entre la face interne du piston 10 et l'extrémité inférieure du manchon 15. On voit par suite qu'à aucun moment il n'existe de communication entre l'intérieur du piston et l'extérieur du carter 5 par les orifices 17.
Dès que l'extrémité supérieure du piston s'écarte de l'épaulement 19, une pression différentielle est engendrée entre les faces supérieure et inférieure de la bague ±. A ce moment, la vanne 25 tend à quitter le siège 31 par suite de la force différentielle agissant sur les surfaces A et B. L'énergie cinétique de la vanne est absorbée à la suite de son application sur le siège 31 par la différence entre les forces agissant sur lessurfaces C et A.
Etant donné que la bague de portée 32 est montée de manière à permettre un déplacement axial limité, une absorption efficace de l'énergie cinétique de cette vanne est ainsi obtenue, cette énergie étant absorbée par le fluide d'actionnement, de sorte que toute contrainte d'impact excessive est ainsi évitée dans le mécanisme formant vanne. Le dash-pot formé par la bague 52 et la gorge 55 ménagée dans la bague de portée 32 agit de manière à absorber l'énergie cinétique que la vanne peut posséder à certains moments par suite de conditions de travail anormales.
Quand la vanne vient s'appliquer sur le siège supérieur 30, la course de travail suivante est alors commencée. L'application initiale'd'une certaine énergie ralentit le piston jusqu'à ce que sa vitesse soit nulle puis ce piston subit une accélération vers le bas lors de la course de travail de la manière précitée.
La distance dont le piston se déplace vers le haut après s'être écarté de l'épaulement 19 du manchon ou conduit 15 constitue l'avance du piston. C'est pendant cette période d'avance qu'une pression différentielle exercée sur les faces supérieure et inférieure de la bague 38 surmonte la pression qu'exerce le fluide sur la surface B de la vanne et tend à écarter cette vanne de son siège inférieur 31 pour l'appliquer sur le siège supérieur 30. En raison de la souplesse d'adaptation du dispositif, cette avance peut être réduite à une valeur telle que la vanne dispose d'un laps de temps insuffisant pour s'écarter réellement du siège inférieur 31 avant que le déplacement du piston ne soit interrompu par contact avec le ressort annulaire 61.
Dans ce cas, la
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pression différentielle tendant à déplacer la vanne se conjugue à l'énergie cinétique de cette vanne pour assurer l'application de la vanne sur le siège 30.
On voit que cette particularité de construction du dispositif fournit une grande souplesse en ce qui concerne les caractéristiques de fonctionnement étant donné que l'on peut modifier aisément ces caractéristiques de fonctionnement en transformant ou remplaçant le manchon 15 de manière à obtenir une avance déterminée. On peut obtenir de cette manière une compensation permettant l'utilisation de divers fluides gazeux ou liquides et de débits d'alimentation différents pour le fluide d'actionnement arrivant au dispositif.
On remarquera que la vanne 25 sert d'organe d'arrêt à l'intérieur du piston 10 et peut être actionnée avec les éléments associés de manière à servir alternativement à retenir le fluide sous pression dans le piston et à le diriger vers l'extérieur afin de provoquer le déplacement alternatif de ce piston dans le carter 5. La partie annulaire supérieure du piston 10 et la. vanne 25 coopèrent également avec le manchon 15 de manière telleque la course de travail se termine au moment où la tête 20 du piston s'écarte de l'épaulement 19 ménagé sur le manchon 15, car à ce moment les faces inférieure et supérieure de la tête annulaire du piston et la face annulaire supérieure du piston de la vanne supportent l'effet du fluide sous pression présent à l'extérieur de l'outil.
Comme déjà indiqué la vanne commence alors à se mouvoir vers le haut par suite de l'excès de force dirigée vers le haut agissant sur cette vanne. En même temps, le piston poursuit son déplacement sous l'effet de son inertie et produit l'impact désiré.
On remarquera également que les orifices 17 servent d'orifices de respiration afin de permettre le déplacement du fluide vers la chambre 16 et à partir de cette chambre pendant le mouvement alternatif du piston Ce déplacement est sensiblement égal et opposé au déplace,ment de la tige de piston 11, et on voit ainsi que le dispositif n'engendre pas de variations de pression importantes sur les parois du trou de forage produit par l'outil. On réduit ainsi au minimum les conditions tendant à produire la cavitation des parois.
Dans le mode de réalisation que montre la fig. 5, la tige 11 du piston se termine par un collier formant marteaux 70, présentant un épaulement 71 dirigé vers le haut et destiné à prendre appui contre les ressorts annulaires 61, de sorte que ces ressorts absorbent l'énergie pendant la course finale vers le haut du piston, qui sert ici de marteau perforateur.
Le trépan 14 est fixé sur un manchon 72 formant enclume, portant des cannelures 73 pouvant coulisser dans des gorges complémentaires 74 de la partie inférieure 1 du carter 5. Un manchon 75 est monté à coulissement dans le carter entre le manchon 73 et la bague d'écartement 76, et cette particularité de construction permet dabaisser l'ensemble de l'outil de forage du puits afin d'appliquer une force vers le bas constante sur le tré- pan 14 pour provoquer son effet de coupe. Cet effet de coupe se conjugue aux impactsdu collier formant marteau 70 sur l'enclume 72 par suite du fonctionnement de l'outil comme déjà indiqué
On remarquera que le dispositif décrit peut fonctionner avec une alimentation en fluide dirigée dansle sens indiqué par la flèche 24 ou en sens inverse.
Pour cette raison, quand on utilise l'outil comme outil de forage et qùand on le fait descendre dans un trou de puits rempli de liquide le fonctionnement du mécanisme remplit rapidement la colonne de forage de liquide, tout en empêchant en même temps l'accumulation de débris sur les organes en mouvement. Inversement,quand on dégage le dispositif d'un trou de puits rempli de liquide,l'actionnement automatique facilite l'entraînement du liquide hors de la colonne de forage, ce qui supprime
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ainsi les inconvénients résultant du dégagement d'une colonne de forage remplie de liquide.
Bien que l'on ait décrit ici l'invention dans son¯application comme outil de forage de puits du type à impact ou à percussion,'on com- prendra que l'invention n'y est pas limitée mais peut être utilisée pour des applications techniques voisines quand on désire transformer l'énergie d'un courant de fluide en un mouvement mécanique alternatif.
D'une façon générale, l'invention concerne un dispositif d'en- traînement à mouvement alternatif actionné par un fluide et capable de transformer l'énergie d'un courant de fluide en une énergie mécanique, par ' exemple en énergie d'impact ou en une autre énergie résultant d'un mouve- ment alternatif.
Des modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'in- vention.
REVENDICATIONS.
1. - Dispositif d'entraînement à mouvement alternatif actionné par un fluide, comprenant un carter ou cylindre muni à une extrémité d'un orifice d'admission du fluide sous pression à l'intérieur de ce carter,dans lequel est monté à coulissement un piston annulaire présentant une extrémi- té de plus petit diamètre un manchon dirigé vers le bas depuis l'orifice d'entrée du carter,ménageant avec ce carter une chambre annulaire dans la- quelle vient s'engager à coulissement une extrémité du piston, une communi- cation étant assurée entre cette chambre et l'extérieur, des joints d'étan- chéité espacés l'un de l'autre, disposés entre le piston et le carter,et des organes servant alternativement à retenir le fluide sous pression dans le piston et à le diriger vers l'extérieur de ce piston, entre ces joints d'étanchéité,
de manière à provoquer le mouvement alternatif dudit piston dans le carter.