CA1110225A - Outil de forage rotatif equipe d'un dispositif de percussion - Google Patents
Outil de forage rotatif equipe d'un dispositif de percussionInfo
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- E21B7/24—Drilling using vibrating or oscillating means, e.g. out-of-balance masses
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Abstract
Outil de forage rotatif équipé d'un dispositif de percussion et pourvu d'un élément de commande dirigeant la boue de forage dans l'une ou l'autre de deux voies d'écoulement dont une première voie amène la boue de forage à entraîner une masse de percussion mobile comprise entre ledit élément de commande et une pièce de butée solidaire d'un corps supportant l'outil jusqu'à ce que cette masse percute cette butée. L'outil est caractérisé en ce que l'élément de commande est un élément fluidique de commande dans lequel chacune des deux voies d'écoulement comporte une surface à laquelle la boue de forage peut s'attacher par effet Coanda et en ce que l'arrivée de la masse de percussion sur la pièce de butée provoque le détachement de la boue de forage d'avec ladite surface de la première voie d'écoulement et la commutation de la boue de forage sur la deuxième voie d'écoulement".
Description
L'invention se rapporte à un outil de forage équipé
d'un dispositif de percussion en vue d'améliorer la vitesse de pénétration dans la roche.
On sait réaliser depuis longtemps des outils de forage animés d'un mouvement de rotation et de percussion.
De tels outils sont efficaces et n'offrent aucune difficulté
de réalisation lorsque l'outil et le trou de forage sont de petites dimensions. La commande de ces outils s'effectue, en conséquence, par des moyens classiques, l'élément moteur étant un fluide sous pression dont l'alimentation est contrôlée par des tiroirs assurant la répétition de l'ouverture et de la fer~.eture de passages du fluide commandant notamment le mouvement alternatif d'un piston.
Cependant, la commande d'un outil de forage, même à faible profondeur, au moyen de la boue de forage et des techniques connues, offre de grandes difficultés, notamment en raison des pressions rencontrées et de la nécessité d'assurer une étanchéité efficace et durable des tiroirs ou autres moyens de commande en dépit de la cadence rapide des mouvements.
Afin d'éviter de telles dlfficultés, on a préconisé
le remplacement de la percussion par la transmission de vibrations à l'outil de forage, éliminant ainsi les difficultés inhérentes aux techniques usuelles. Toutefois, l'action de l'outil sur la roche ne s'effectue que selon un mode bien particulier et ne permet pas d'obtenir un rendement qui, pour une large part, est fonction de l'intervalle des points de percussion d'un élément de l'outil sur la roche.
A titre d'exemple d'outil travaillant par rotation et vibration, on peut citer le cas d'un outil dont la boue de forage est dirigée périodiquement au moyen d'un oscillateur fluidique dans une chambre séparant deux masses reliées ~ leur périphérie par un cylindre élastique. L'entrée en résonance ,. , ~
Z25 ~
de ces masses, au moyen. de l'oscillateur, communique à l'outil, solidaire d'une de ces masses, des vibrations avorisant l'avancement.
Selon la présente invention, il est prevu un outil .~- de forage rotatif équipé d'un dispositif de perc~ssion et pourvu d'un élément de commande dirigeant la boue de forage dans l'une ou l'autre de deux voies d'écoulement dont une première voie amène la boue de forage à entrainer une masse de percussion mobile comprise entre ledit élément de commande et 10 une pièce de butée solidaire d'un corps supportant l'outil :~
jusqu'à ce que cette masse percute cette butée, caractérisé en ce -.
que l'élément de commande est un élément fluidique de commande dans lequel chacune des deux voies d'écoulement comporte une surface à laquelle la boue de forage peut s'attacher par effet -Coanda et en ce que l'arrivée de la masse de percussion sur la pièce de butée provoque le détachement de la boue de forage d'avec ladite surface de la première voie d'écoulement et la .
commutation de la boue de forage sur la deuxième voie d'écoulement".
Ainsi, contrairement aux techniques connues et quelle que soit la structure de l'outil, ses dimensions et la profondeur du forage, on peut assurer une commande efficace de la masse percutante, la pression de la boue s'appliquant sur toute sa surface sans que l'on soit amené à prévoir l'étanchéité entre la masse et le cylindre qui l'entoure.
L'élément de commande fluidique peut être agencé pour ramener la masse à sa position primitive par déplacement du chemin d'écoulement de l'élément de commande fluidique lors de l'arrêt de la masse sur la pièce du butée.
On obtient de la sorte une commande précise de la percussion et la possibilité d'obtenir le rendement désiré en réglant la cadence de percussion par rapport à la vitesse de rotation de l'outil et au nombre d'éléments d'attaque de l'outil " , ~ ' ,. , ,:
. , lors de chaque percussion. La cadence de percussion étant proportionnelle au débit de La boue, on parvient à obtenir des rendements supérieurs aux outils connus, non seulement du fait de la percussion mais aussi du réglage de la cadence en fonction des points d'attaque.
L'outil de forage selon l'invention peut être adapté
à canaliser la boue de forage provenant d'une tuyère à orifice de sortie de section transversale annulaire au-dessus de l'entrée de l'élément de commande fluidique, ledit élément comportant au moins une première surface conique stabilisant l'écoulement le long de cette surface, en vue de stabiliser et de diriger l'écoulement vers une première surface de la masse, et une seconde surface en vue de guider et de diriger l'écoulement dévié vers la surface opposée de ladite masse, un chemin externe à l'une ou l'autre des dites surfaces assurant la déviation de l'écoulement provenant de la tuyère, l'évacuation de la boue s'effectuant par les canaux de l'outil, La boue de forage assure ainsi le contrôle précis de la percussion, tout en assurant son rôle normal de lubrifica-tion et de retour des débris.
Les première et seconde surfaces de l'élément de commande fluidique sont des surfaces coniques entraînant la stabilité de l'écoulement, soit le long du chemin conduisant à la surface de la masse opposée à l'outil, soit le long du chemin conduisant à la surface de la masse tournée vers l'outil.
L'outil de forage selon l'invention, peut en outre, comprendre, au moins un canal de déviation permettant de dévier l'écoulement de la sortie de la tuyère d'alimentation vers l'une ou l'autre des surfaces coniques.
On peut, dans ces conditions, opérer aussi bien à
des fréquences très basses que très élevées.
.. .. .
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description suivante faite en référence au dessin annexé qui représente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'outil de forage à percussion.
Sur les dessins :
la figure 1 est une représentation en coupe axiale d'un mode de réalisation de l'outil, la figure 2 un agrandissement de la partie supérieure de l'outil, et la figure 3 un agrandissement de la partie inférieure.
Afin de montrer la grande diversité des surfaces : d'attaque des outils conformes à l'invention, on a représenté
au-dessus de l'axe 30 un outil 18 et en dessous un simple cône de fixation 19, tous deux étant solidaires d'un corps annulaire 20 plus ou moins long contenant le dispositif de commutation des circuits de la boue de forage parvenant à l'entrée de la pièce 1. Celle-ci présente, à sa partie inférieure, une tuyère 3 répartissant la boue parvenant à la gorge annulaire 2. La sortie de la tuyère se présente sous la forme d'un anneau cylindrique 21 aboutissant à l'aplomb de l'entrée de l'élément fluidique constitué par une ouverture annulaire 23 délimitée par l'espace libre situé entre les extrémités de la partie conique d'une pièce interne 10 et la partie conique d'une pièce S
entourant la pièce 10. L'ouverture annulaire 23 se trouve à
. une distance suffisante de la sortie de l'anneau cylindrique 21 pour permettre la communication de l'écoulement compris dans cet espace, d'une part, avec une ouverture interne 26 en communication avec le canal 6, cette ouverture pouvant être annulaire ou circulaire selon la présence ou l'absence de la pièce interne 4, d'autre part, avec une ouverture annulaire . externe 24 comprise entre les extrémités coniques des pièces 8 et 5. L'espace conique 25 compris entre les pièces 8 et 5 communique avec l'espace 27 compris entre la pièce 5 de guidage de l'écoulement externe et une pièce 7 de séparation des :
écoulements interne et extçrne, cette communication s'effectuant au moyen des ouvertures 9 de la pièce 5 de l'écoulement externe.
La partie conique de la pièce 7 entoure la pièce 10 de guidage de l'écoulement interne et sa partie cylindrique -~
sert de guidage à la masse de percussion 11. Celle-ci est représentée, au-dessus de l'axe 30, en dehors de la surface de butée d'une pièce 12, le ressort 13 écartant la masse 11 en s'appuyant, d'une part, sur une partie de la pièce 12 voisine des passages 15 et, d'autre part, sur une extension 28 de la tige 14 p~n-~tran~ ~ la base de la masse 11. Au-déssous de l'axe 30, la masse 11 est représentée en fin de course en contact avec la pièce de butée 12.
L'espace 27 est mis en communication a~ec le canal 17 de sortie de la boue par les ouvertures 16 de la pièce 12.
La c~nfiguration de la section terminale de la tuyère annulaire d'alimentation 21 et des passages, médian 23, interne 26 et externe 24, constitue avec la chambre 22 de répartition des écoulements, située entre les parties coniques 5 et 10 de guidage des écoulements, une structure d'élément fluidique à effet Coanda, c'est-à-dire à écoulement s'attachant de façon stable sur au moins l'une des surfaces coniques.
Cette disposition a donc l'avantage de pouvoir diriger, sur l'une ou l'autre des surfaces opposées de la masse 11, une poussée lorsque l'élément fluidique ainsi constitué est commuté
pour diriger l'écoulement sur la face désirée de la masse.
Dans l'exemple représenté, cet élément fonctionne de fa,con bistable. En effet, supposons que la masse 11 soit dans la position écartée de la pièce de butée 12, le ressort 13 étant non comprimé. La boue provenant de la tuyère annulaire 21 et s'écoulant par le passage 27 tend, en plus de son écoule-ment par le canal 17 et le passage 15, à remonter des orifices 9 vers l'ouverture externe 24, comme le montrent les flèches 31, de sorte que l'écouleme~t primitif stable le long de la partie interne du cône 5 passe brusquement, dans la chambre 22, en 32 le long de la cloison conique 10. Cette action a pour résultat le déplacement de la masse 11 qui comprime le ressort de rappel 13, tandis que l'absence de circulation de la boue en 31 supprime la sollicitation directe du flux s'écoulant de 111~2~5 21. Cependant, cette suppression n'a aucune conséquence sur la stabilité de l'écoulement 32 le long de la surface conique externe de la cloison 10 de guidage d'écoulement interne en raison de l'effet Coanda. Il en résulte que la poussée s'exerçant sur la masse 11 continue jusqu'à ce que celle-ci vienne heurter la surface de butée de la pièce 12. L'écoule-ment 32 se trouve ainsi brusquement stoppé., de sorte que le canal 6 de la pièce 10 reçoit une brusque réaction 33, solli-citant par 26 le flux d'alimentation provenant de 21 vers l'extérieur en faisant ainsi passer en 35 l'écoulement le long de la surface interne de la partie conique 5 de guidage de l'ecoulement externe. Le fluide agit alors en passant dans l'espace 27 et les passages 16 et 15 pour solliciter la face de percussion de la masse 11, comme l'indique la flèche 34.
La masse 11 remonte alors sous cet effet, combiné à la poussée du ressort 13, tandis que la boue provenant de la tuyère .
annulaire 21 et s'écoulant par le passage 27 tend, en plus de son écoulement par le canal 17, à remonter des orifices 9 .
vers l'ouverture externe 24, comme le montrent les flèches 31, de sorte que l'écoulement qui était stable le long du cône 5 passe brusquement dans la chambre 22, en 32 le long de la cloison conique 10. Ceci a pour effet de repousser la masse 11 et le cycle reprend.
.En plaçant l'élément bistable sous la dépendance.du piston 11, on réalise un mouvement de percussion stable que l'on peut aisément adapter au genre d'outil utilisé et à la - ~:
vitesse de rotation d'un tel.outil. On peut, de la sorte, accroître le rendement par l'adaptation de la fréquence de percussion à l'écart de deux éléments d'attaque voisins de l'outil et à la vitesse de rotation, ces trois éléments définissant le pas de l'attaque percutante. La fréquence de la percussion étant une fonction linéaire du débit d'alimenta- :
_ (7 _
d'un dispositif de percussion en vue d'améliorer la vitesse de pénétration dans la roche.
On sait réaliser depuis longtemps des outils de forage animés d'un mouvement de rotation et de percussion.
De tels outils sont efficaces et n'offrent aucune difficulté
de réalisation lorsque l'outil et le trou de forage sont de petites dimensions. La commande de ces outils s'effectue, en conséquence, par des moyens classiques, l'élément moteur étant un fluide sous pression dont l'alimentation est contrôlée par des tiroirs assurant la répétition de l'ouverture et de la fer~.eture de passages du fluide commandant notamment le mouvement alternatif d'un piston.
Cependant, la commande d'un outil de forage, même à faible profondeur, au moyen de la boue de forage et des techniques connues, offre de grandes difficultés, notamment en raison des pressions rencontrées et de la nécessité d'assurer une étanchéité efficace et durable des tiroirs ou autres moyens de commande en dépit de la cadence rapide des mouvements.
Afin d'éviter de telles dlfficultés, on a préconisé
le remplacement de la percussion par la transmission de vibrations à l'outil de forage, éliminant ainsi les difficultés inhérentes aux techniques usuelles. Toutefois, l'action de l'outil sur la roche ne s'effectue que selon un mode bien particulier et ne permet pas d'obtenir un rendement qui, pour une large part, est fonction de l'intervalle des points de percussion d'un élément de l'outil sur la roche.
A titre d'exemple d'outil travaillant par rotation et vibration, on peut citer le cas d'un outil dont la boue de forage est dirigée périodiquement au moyen d'un oscillateur fluidique dans une chambre séparant deux masses reliées ~ leur périphérie par un cylindre élastique. L'entrée en résonance ,. , ~
Z25 ~
de ces masses, au moyen. de l'oscillateur, communique à l'outil, solidaire d'une de ces masses, des vibrations avorisant l'avancement.
Selon la présente invention, il est prevu un outil .~- de forage rotatif équipé d'un dispositif de perc~ssion et pourvu d'un élément de commande dirigeant la boue de forage dans l'une ou l'autre de deux voies d'écoulement dont une première voie amène la boue de forage à entrainer une masse de percussion mobile comprise entre ledit élément de commande et 10 une pièce de butée solidaire d'un corps supportant l'outil :~
jusqu'à ce que cette masse percute cette butée, caractérisé en ce -.
que l'élément de commande est un élément fluidique de commande dans lequel chacune des deux voies d'écoulement comporte une surface à laquelle la boue de forage peut s'attacher par effet -Coanda et en ce que l'arrivée de la masse de percussion sur la pièce de butée provoque le détachement de la boue de forage d'avec ladite surface de la première voie d'écoulement et la .
commutation de la boue de forage sur la deuxième voie d'écoulement".
Ainsi, contrairement aux techniques connues et quelle que soit la structure de l'outil, ses dimensions et la profondeur du forage, on peut assurer une commande efficace de la masse percutante, la pression de la boue s'appliquant sur toute sa surface sans que l'on soit amené à prévoir l'étanchéité entre la masse et le cylindre qui l'entoure.
L'élément de commande fluidique peut être agencé pour ramener la masse à sa position primitive par déplacement du chemin d'écoulement de l'élément de commande fluidique lors de l'arrêt de la masse sur la pièce du butée.
On obtient de la sorte une commande précise de la percussion et la possibilité d'obtenir le rendement désiré en réglant la cadence de percussion par rapport à la vitesse de rotation de l'outil et au nombre d'éléments d'attaque de l'outil " , ~ ' ,. , ,:
. , lors de chaque percussion. La cadence de percussion étant proportionnelle au débit de La boue, on parvient à obtenir des rendements supérieurs aux outils connus, non seulement du fait de la percussion mais aussi du réglage de la cadence en fonction des points d'attaque.
L'outil de forage selon l'invention peut être adapté
à canaliser la boue de forage provenant d'une tuyère à orifice de sortie de section transversale annulaire au-dessus de l'entrée de l'élément de commande fluidique, ledit élément comportant au moins une première surface conique stabilisant l'écoulement le long de cette surface, en vue de stabiliser et de diriger l'écoulement vers une première surface de la masse, et une seconde surface en vue de guider et de diriger l'écoulement dévié vers la surface opposée de ladite masse, un chemin externe à l'une ou l'autre des dites surfaces assurant la déviation de l'écoulement provenant de la tuyère, l'évacuation de la boue s'effectuant par les canaux de l'outil, La boue de forage assure ainsi le contrôle précis de la percussion, tout en assurant son rôle normal de lubrifica-tion et de retour des débris.
Les première et seconde surfaces de l'élément de commande fluidique sont des surfaces coniques entraînant la stabilité de l'écoulement, soit le long du chemin conduisant à la surface de la masse opposée à l'outil, soit le long du chemin conduisant à la surface de la masse tournée vers l'outil.
L'outil de forage selon l'invention, peut en outre, comprendre, au moins un canal de déviation permettant de dévier l'écoulement de la sortie de la tuyère d'alimentation vers l'une ou l'autre des surfaces coniques.
On peut, dans ces conditions, opérer aussi bien à
des fréquences très basses que très élevées.
.. .. .
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description suivante faite en référence au dessin annexé qui représente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'outil de forage à percussion.
Sur les dessins :
la figure 1 est une représentation en coupe axiale d'un mode de réalisation de l'outil, la figure 2 un agrandissement de la partie supérieure de l'outil, et la figure 3 un agrandissement de la partie inférieure.
Afin de montrer la grande diversité des surfaces : d'attaque des outils conformes à l'invention, on a représenté
au-dessus de l'axe 30 un outil 18 et en dessous un simple cône de fixation 19, tous deux étant solidaires d'un corps annulaire 20 plus ou moins long contenant le dispositif de commutation des circuits de la boue de forage parvenant à l'entrée de la pièce 1. Celle-ci présente, à sa partie inférieure, une tuyère 3 répartissant la boue parvenant à la gorge annulaire 2. La sortie de la tuyère se présente sous la forme d'un anneau cylindrique 21 aboutissant à l'aplomb de l'entrée de l'élément fluidique constitué par une ouverture annulaire 23 délimitée par l'espace libre situé entre les extrémités de la partie conique d'une pièce interne 10 et la partie conique d'une pièce S
entourant la pièce 10. L'ouverture annulaire 23 se trouve à
. une distance suffisante de la sortie de l'anneau cylindrique 21 pour permettre la communication de l'écoulement compris dans cet espace, d'une part, avec une ouverture interne 26 en communication avec le canal 6, cette ouverture pouvant être annulaire ou circulaire selon la présence ou l'absence de la pièce interne 4, d'autre part, avec une ouverture annulaire . externe 24 comprise entre les extrémités coniques des pièces 8 et 5. L'espace conique 25 compris entre les pièces 8 et 5 communique avec l'espace 27 compris entre la pièce 5 de guidage de l'écoulement externe et une pièce 7 de séparation des :
écoulements interne et extçrne, cette communication s'effectuant au moyen des ouvertures 9 de la pièce 5 de l'écoulement externe.
La partie conique de la pièce 7 entoure la pièce 10 de guidage de l'écoulement interne et sa partie cylindrique -~
sert de guidage à la masse de percussion 11. Celle-ci est représentée, au-dessus de l'axe 30, en dehors de la surface de butée d'une pièce 12, le ressort 13 écartant la masse 11 en s'appuyant, d'une part, sur une partie de la pièce 12 voisine des passages 15 et, d'autre part, sur une extension 28 de la tige 14 p~n-~tran~ ~ la base de la masse 11. Au-déssous de l'axe 30, la masse 11 est représentée en fin de course en contact avec la pièce de butée 12.
L'espace 27 est mis en communication a~ec le canal 17 de sortie de la boue par les ouvertures 16 de la pièce 12.
La c~nfiguration de la section terminale de la tuyère annulaire d'alimentation 21 et des passages, médian 23, interne 26 et externe 24, constitue avec la chambre 22 de répartition des écoulements, située entre les parties coniques 5 et 10 de guidage des écoulements, une structure d'élément fluidique à effet Coanda, c'est-à-dire à écoulement s'attachant de façon stable sur au moins l'une des surfaces coniques.
Cette disposition a donc l'avantage de pouvoir diriger, sur l'une ou l'autre des surfaces opposées de la masse 11, une poussée lorsque l'élément fluidique ainsi constitué est commuté
pour diriger l'écoulement sur la face désirée de la masse.
Dans l'exemple représenté, cet élément fonctionne de fa,con bistable. En effet, supposons que la masse 11 soit dans la position écartée de la pièce de butée 12, le ressort 13 étant non comprimé. La boue provenant de la tuyère annulaire 21 et s'écoulant par le passage 27 tend, en plus de son écoule-ment par le canal 17 et le passage 15, à remonter des orifices 9 vers l'ouverture externe 24, comme le montrent les flèches 31, de sorte que l'écouleme~t primitif stable le long de la partie interne du cône 5 passe brusquement, dans la chambre 22, en 32 le long de la cloison conique 10. Cette action a pour résultat le déplacement de la masse 11 qui comprime le ressort de rappel 13, tandis que l'absence de circulation de la boue en 31 supprime la sollicitation directe du flux s'écoulant de 111~2~5 21. Cependant, cette suppression n'a aucune conséquence sur la stabilité de l'écoulement 32 le long de la surface conique externe de la cloison 10 de guidage d'écoulement interne en raison de l'effet Coanda. Il en résulte que la poussée s'exerçant sur la masse 11 continue jusqu'à ce que celle-ci vienne heurter la surface de butée de la pièce 12. L'écoule-ment 32 se trouve ainsi brusquement stoppé., de sorte que le canal 6 de la pièce 10 reçoit une brusque réaction 33, solli-citant par 26 le flux d'alimentation provenant de 21 vers l'extérieur en faisant ainsi passer en 35 l'écoulement le long de la surface interne de la partie conique 5 de guidage de l'ecoulement externe. Le fluide agit alors en passant dans l'espace 27 et les passages 16 et 15 pour solliciter la face de percussion de la masse 11, comme l'indique la flèche 34.
La masse 11 remonte alors sous cet effet, combiné à la poussée du ressort 13, tandis que la boue provenant de la tuyère .
annulaire 21 et s'écoulant par le passage 27 tend, en plus de son écoulement par le canal 17, à remonter des orifices 9 .
vers l'ouverture externe 24, comme le montrent les flèches 31, de sorte que l'écoulement qui était stable le long du cône 5 passe brusquement dans la chambre 22, en 32 le long de la cloison conique 10. Ceci a pour effet de repousser la masse 11 et le cycle reprend.
.En plaçant l'élément bistable sous la dépendance.du piston 11, on réalise un mouvement de percussion stable que l'on peut aisément adapter au genre d'outil utilisé et à la - ~:
vitesse de rotation d'un tel.outil. On peut, de la sorte, accroître le rendement par l'adaptation de la fréquence de percussion à l'écart de deux éléments d'attaque voisins de l'outil et à la vitesse de rotation, ces trois éléments définissant le pas de l'attaque percutante. La fréquence de la percussion étant une fonction linéaire du débit d'alimenta- :
_ (7 _
2;~:S
tion de l'élément fluidique, on voit que la combinaison réalisée permet de déterminer très aisément le meilleur rendement d'avancement, les moyens utilisés supprimant en outre les difficultés rencontrées pour assurer l'étanchéité
des tiroirs commandant les écoulements des anciens systèmes.
Etant donné qu'il suffit d'assujettir l'élément de commutation fluidique alimenté en 21 au mouvement de percussion de la masse 11 sur le corps de l'outil, ou sur la butée solidaire de celui-ci, pour obtenir tout ou partie de l'effet recherché, il va de soi que le dispositif décrit à
titre d'exemple peut prendre différentes formes.
En particulier, si la masse volumique du piston 11 est relativement peu élevée, on peut supprimer le ressort 13, le piston remontant, d'une part, sous l'effet de l'écoulement s'effectuant dans le sens de la flèche 34 et, d'autre part, sous l'effet de la poussée exercée par la boue baignant complètement le piston.
Au lieu d'utiliser un élément de commutation bistable, on peut prévoir un élément monostable : l'écoulement interne 32 étant stable, l'écoulement externe 35 étant rendu instable par altération de la paroi conique 5 par exemple. L'écoulement interne 32 entraîne la masse 11 vers sa butée 12 qu'elle percute en interrompant ainsi brutalement le débit 32. Il en résulte une brusque augmentation de pression et une onde de compression qui remontent vers la tuyère 3 et écartent, comme précédemment, l'écoulement de la paroi externe de la pièce 10 pour passer selon 35, Ceci permet à la masselotte de remonter sous les actions combinées du ressort 13 et du fluide 34. L'écoulement externe 35 étant instable, le fluide se rattache à la surface 10 après que l'augmentation de pression ait cessé et le cycle reprend. le passage 25 peut donc être supprimé. -On peut, en outre, indépendamment du point discuté
2~5 au paragraphe précédent, fermer les lignes 6, la fermeture brutale en 12 du chemin 32 pouvant suffire avec l'augmentation brusque de pression et l'onde de compression qui en résultent pour écarter l'écoulement de la paroi externe de la pièce 10. L'effet du retour de pression en 26 par les lignes 6 décrit précédemment est une aide au fonctionnement régulier, mais n'est donc pas indispensable.
En outre, on peut aussi rapprocher le point d'impact de la masse percutante des points d'attaque de l'outil sur la roche, en modifiant le schéma des figures 1, 2 et 3, par l'utilisation d'une pièce de butée recevant la tige 14, cette pièce de butée étant solidaire du fond de l'outil 18 ou du cône ::
de fixation 19. B1en que dans ce cas la fermeture du chemin de passage 32 puisse être incomplète, la masse 11 n'arrivant pas en butée sur la pièce 12, le fonctionnement correct de l'outil est encore assuré puisque le basculement de l'écoulement issu de la tuyère annulaire 21, du chemin de passage 32 au chemin de passage 35, est toujours provoqué par la brusque augmentation de pression causée par la fermeture même incomplète :
du chemin de passage 32 et par l'augmentation de perte de charge qui en dérive.
Selon une autre variante, on peut prévoir, au bas de la tige 14 du dispositif précédemment décrit et comportant -une butée recevant la tige 14 et non la masse 11, une deuxième masse, rendue solidaire de la tige 14 et placée en dessous de la pièce de guidage constituée par l'extension de la pièce 12 où sont pratiqués les orifices 15. Cette deuxième masse contribue à augmenter la masse totale du corps percutant et donc l'~nergie de chaque impact, celui-ci s'effectuant entre la -deuxième masse et la pièce de butée solidaire du fond de l'outil .
18 ou du cône de fixation 19.
Le dispositif précédemment décrit peut encore comprendre deux masses reliées rigidement par la tige 14, le ressort n'étant plus monté comme indiqué aux figures 1 et 3, mais étant placé entre n'importe quelle partie du corps fixe de l'outil et n'importe quelle partie du corps percutant, et en particulier en dessous de la masse inférieure.
On comprendra ainsi que de nombreuses modifications de détails peuvent être apportées au mode de réalisation décrit à titre d'exemple, la boue pouvant aussi être évacuée en fonction de l'outil utilisé par des chemins autres que 17.
tion de l'élément fluidique, on voit que la combinaison réalisée permet de déterminer très aisément le meilleur rendement d'avancement, les moyens utilisés supprimant en outre les difficultés rencontrées pour assurer l'étanchéité
des tiroirs commandant les écoulements des anciens systèmes.
Etant donné qu'il suffit d'assujettir l'élément de commutation fluidique alimenté en 21 au mouvement de percussion de la masse 11 sur le corps de l'outil, ou sur la butée solidaire de celui-ci, pour obtenir tout ou partie de l'effet recherché, il va de soi que le dispositif décrit à
titre d'exemple peut prendre différentes formes.
En particulier, si la masse volumique du piston 11 est relativement peu élevée, on peut supprimer le ressort 13, le piston remontant, d'une part, sous l'effet de l'écoulement s'effectuant dans le sens de la flèche 34 et, d'autre part, sous l'effet de la poussée exercée par la boue baignant complètement le piston.
Au lieu d'utiliser un élément de commutation bistable, on peut prévoir un élément monostable : l'écoulement interne 32 étant stable, l'écoulement externe 35 étant rendu instable par altération de la paroi conique 5 par exemple. L'écoulement interne 32 entraîne la masse 11 vers sa butée 12 qu'elle percute en interrompant ainsi brutalement le débit 32. Il en résulte une brusque augmentation de pression et une onde de compression qui remontent vers la tuyère 3 et écartent, comme précédemment, l'écoulement de la paroi externe de la pièce 10 pour passer selon 35, Ceci permet à la masselotte de remonter sous les actions combinées du ressort 13 et du fluide 34. L'écoulement externe 35 étant instable, le fluide se rattache à la surface 10 après que l'augmentation de pression ait cessé et le cycle reprend. le passage 25 peut donc être supprimé. -On peut, en outre, indépendamment du point discuté
2~5 au paragraphe précédent, fermer les lignes 6, la fermeture brutale en 12 du chemin 32 pouvant suffire avec l'augmentation brusque de pression et l'onde de compression qui en résultent pour écarter l'écoulement de la paroi externe de la pièce 10. L'effet du retour de pression en 26 par les lignes 6 décrit précédemment est une aide au fonctionnement régulier, mais n'est donc pas indispensable.
En outre, on peut aussi rapprocher le point d'impact de la masse percutante des points d'attaque de l'outil sur la roche, en modifiant le schéma des figures 1, 2 et 3, par l'utilisation d'une pièce de butée recevant la tige 14, cette pièce de butée étant solidaire du fond de l'outil 18 ou du cône ::
de fixation 19. B1en que dans ce cas la fermeture du chemin de passage 32 puisse être incomplète, la masse 11 n'arrivant pas en butée sur la pièce 12, le fonctionnement correct de l'outil est encore assuré puisque le basculement de l'écoulement issu de la tuyère annulaire 21, du chemin de passage 32 au chemin de passage 35, est toujours provoqué par la brusque augmentation de pression causée par la fermeture même incomplète :
du chemin de passage 32 et par l'augmentation de perte de charge qui en dérive.
Selon une autre variante, on peut prévoir, au bas de la tige 14 du dispositif précédemment décrit et comportant -une butée recevant la tige 14 et non la masse 11, une deuxième masse, rendue solidaire de la tige 14 et placée en dessous de la pièce de guidage constituée par l'extension de la pièce 12 où sont pratiqués les orifices 15. Cette deuxième masse contribue à augmenter la masse totale du corps percutant et donc l'~nergie de chaque impact, celui-ci s'effectuant entre la -deuxième masse et la pièce de butée solidaire du fond de l'outil .
18 ou du cône de fixation 19.
Le dispositif précédemment décrit peut encore comprendre deux masses reliées rigidement par la tige 14, le ressort n'étant plus monté comme indiqué aux figures 1 et 3, mais étant placé entre n'importe quelle partie du corps fixe de l'outil et n'importe quelle partie du corps percutant, et en particulier en dessous de la masse inférieure.
On comprendra ainsi que de nombreuses modifications de détails peuvent être apportées au mode de réalisation décrit à titre d'exemple, la boue pouvant aussi être évacuée en fonction de l'outil utilisé par des chemins autres que 17.
Claims (32)
1. Outil de forage rotatif équipé d'un dispositif de percussion et pourvu d'un élément de commande dirigeant la boue de forage dans l'une ou l'autre de deux voies d'écoulement dont une première voie amène la boue de forage à entraîner une masse de percussion mobile comprise entre ledit élément de commande et une pièce de butée solidaire d'un corps supportant l'outil jusqu'à ce que cette masse percute cette butée, caracté-risé en ce que l'élément de commande est un élément fluidique de commande dans lequel chacune des deux voies d'écoulement comporte une surface à laquelle la boue de forage peut s'attacher par effet Coanda et en ce que l'arrivée de la masse de percussion sur la pièce de butée provoque le détachement de la boue de forage d'avec ladite surface de la première voie d'écoulement et la commutation de la boue de forage sur la deuxième voie d'écoulement .
2. Outil tel que revendiqué en 1 dont l'élément fluidique est un élément de commutation ayant au moins une position d'écoulement stable, le long des surfaces internes d'une première pièce externe ou des surfaces externes d'une pièce interne.
3. Outil tel que revendiqué dans la revendication 1 dont l'élément fluidique est commandé par la fermeture brusque de l'une des voies d'écoulement et les augmentations de pres-sion associées résultant de l'arrêt du mouvement de la masse par une pièce de butée.
4. Outil tel que revendiqué dans la revendication 2 dont le deuxième état de l'élément fluidique est rendu instable par construction de la surface interne de la première pièce externe.
5. Outil tel que revendiqué dans la revendication 2 dont le deuxième état de l'élément fluidique est rendu insta-ble par le retour d'une partie de l'écoulement le long de la surface externe de la première piéce externe.
6. Outil tel que revendiqué dans la revendication 1 dont l'alimentation de la boue de forage s'effectue par une tuyère à section transversale de sortie annulaire et dont l'écoulement de sortie est cylindrique et situé en regard de l'espace annulaire d'entrée créé entre les cloisons de guidage de l'écoulement de l'élément fluidique.
7. Outil tel que revendiqué en 6 dont l'extrémité
de la surface de guidage interne de l'écoulement délimitant l'orifice d'entrée de l'élément fluidique est une surface conique de stabilisation de l'écoulement.
de la surface de guidage interne de l'écoulement délimitant l'orifice d'entrée de l'élément fluidique est une surface conique de stabilisation de l'écoulement.
8. Outil tel que revendiqué en 7 dont l'extrémité
de la surface interne délimitant l'orifice d'entrée de l'élément fluidique est bordée intérieurement d'un passage communiquant avec la chamber dans laquelle se déplace la masse de percussion.
de la surface interne délimitant l'orifice d'entrée de l'élément fluidique est bordée intérieurement d'un passage communiquant avec la chamber dans laquelle se déplace la masse de percussion.
9. Outil tel que revendiqué dans la revendication 6 comportant entre les surfaces de guidage de l'écoulement un séparateur de ces écoulements dont la paroi interne sert de chambre de commande de la masse.
10. Outil tel que revendiqué dans la revendication 6 dont la paroi externe du séparateur d'écoulement, compris entre les surfaces de guidage d'écoulement de l'élément fluidique, forme avec la surface d'écoulement externe un espace d'écoule-ment dirigeant la boue dans la chambre dans laquelle se déplace la masse de percussion et du côté de la surface de la masse tournée vers l'outil.
11. Outil tel que revendiqué en 10 dont l'espace d'écoulement, compris entre la cloison externe de guidage d'écoulement de l'élément fluidique et le séparateur d'écoule-ment, conduit en outre à la sortie de la boue de forage.
12. Outil tel que revendiqué dans la revendication 9 dont l'espace, compris entre le séparateur d'écoulement et la cloison externe de guidage d'écoulement, communique avec un passage de réaction bordant la paroi externe de ladite cloison externe de guidage d'écoulement et débouchant au voisinage de l'entré de l'élément de commande fluidique.
13. Outil tel que revendiqué en 12 dont l'élément fluidique est bistable.
14. Outil tel que revendiqué en 12 dont l'élément fluidique est monostable.
15. Outil tel que revendiqué dans la revendication 1 dont la masse est fixée à une tige limitant l'éloignement de la masse de sa butée.
16. Outil tel que revendiqué dans la revendication 1 dont la masse est sollicitée par un ressort.
17. Outil tel que revendiqué dans la revendication 14 dont l'écoulement stable est obtenu par la cloison externe délimitant l'entrée de l'élément fluidique, ladite cloison étant conique et étant bordée extérieurement par un passage de réaction détruisant la stabilité dudit écoulement.
18. Outil tel que revendiqué dans la revendication 14 dont l'écoulement le long de la surface externe s'effectue exclusivement sur sa surface externe, celle-ci rendant cet écoulement instable par construction.
19 Outil tel que revendiqué dans la revendication 15 dont l'écoulement stable est obtenu par la cloison interne délimitant l'entrée de l'élément fluidique, ladite cloison étant conique et canalisant la boue à l'intérieur d'un séparateur formant à la fois la chambre de déplacement de la masse de percussion et le circuit unique de réaction pour dévier l'écoule-ment stable lors de l'arrêt de la masse sur sa butée.
20. Outil tel que revendiqué dans la revendication 15 dont l'écoulement stable est obtenu par la cloison interne délimitant l'entrée de l'élément fluidique, ladite cloison étant conique et étant bordée intérieurement par un passage de réaction unique déviant l'écoulement stable lorsque la masse vient en contact avec sa pièce de butée.
21. Outil tel que revendiqué dans la revendication 20 dans lequel la percussion s'effectue entre la tige de guidage de la masse et une pièce de butée solidaire du corps supportant l'outil, entraînant au moins l'obturation partielle de l'écou-lement axial.
22. Outil tel que revendiqué dans la revendication 20 dont la tige de guidage de la masse comporte une deuxième masse se déplaçant en dessous de la pièce de guidage solidaire du corps supportant l'outil.
23. Outil tel que revendiqué en 22 dans lequel l'impact se réalise entre la deuxième masse et une pièce de butée solidaire du corps supportant l'outil.
24. Outil tel que revendiqué dans la revendication 22 ou 23 dont le ressort de rappel de la tige de guidage des masses est situé en dessous de la masse inférieure.
25. Outil selon la revendication 1, comprenant en outre une tuyère pour répartir la boue de forage, cette tuyère ayant une sortie qui se présente sous la forme d'un anneau cylindrique aboutissant à l'aplomb de l'entrée de l'élément fluidique.
26. Outil selon la revendication 25, comprenant en outre une ouverture annulaire délimitée par un espace libre situé entre les extrémités d'une partie conique d'une pièce interne et une partie conique d'une pièce externe entourant la pièce interne, cette ouverture annulaire se trouvant à une distance prédéterminée suffisante de la sortie dudit anneau cylindrique de ladite tuyère pour permettre la communication de l'écoulement de la boue d'une part avec une ouverture interne, et d'autre part avec une ouverture annulaire externe comprise entre des extrémités coniques de ladite pièce externe et une autre piece qui entoure cette pièce externe.
27. Outil selon la revendication 26, comprenant en outre un espace conique compris entre ladite pièce externe et ladite autre pièce qui entoure cette pièce externe, cet espace conique étant en communication avec un espace compris entre la piece externe et une pièce de séparation des écoulements disposée entre ladite pièce externe et ladite pièce interne.
28. Outil selon la revendication 27, caractésisé
en ce que la communication entre ledit espace conique et ledit espace compris entre la pièce externe et ladite pièce de sé-paration s'effectue au moyen des ouvertures prévues dans ladite pièce externe.
en ce que la communication entre ledit espace conique et ledit espace compris entre la pièce externe et ladite pièce de sé-paration s'effectue au moyen des ouvertures prévues dans ladite pièce externe.
29. Outil selon la revendication 28, caractérisé
en ce que la pièce de séparation entoure la pièce interne, cette pièce de séparation ayant une partie cylindrique qui sert de guidage à ladite masse de percussion.
en ce que la pièce de séparation entoure la pièce interne, cette pièce de séparation ayant une partie cylindrique qui sert de guidage à ladite masse de percussion.
30. Outil selon la revendication 29, caractérisé
en ce qu'un ressort est prévu pour écarter ladite masse d'une pièce de butée, ledit ressort s'appuyant d'une part sur une partie de ladite pièce de butée et d'autre part sur une extension d'une tige qui pénètre à la base de ladite masse.
en ce qu'un ressort est prévu pour écarter ladite masse d'une pièce de butée, ledit ressort s'appuyant d'une part sur une partie de ladite pièce de butée et d'autre part sur une extension d'une tige qui pénètre à la base de ladite masse.
31. Outil selon la revendication 30, caractésisé
en ce que des ouvertures prévues dans la pièce de butée mettent ledit espace compris entre la pièce externe et la pièce de séparation en communication avec un canal de sortie de boue.
en ce que des ouvertures prévues dans la pièce de butée mettent ledit espace compris entre la pièce externe et la pièce de séparation en communication avec un canal de sortie de boue.
32. Outil selon la revendication 31, caractérisé
en ce que ladite sortie de la tuyère sous la forme d'un anneau cylindrique, ladite ouverture annulaire qui est une ouverture médiane, ladite ouverture interne, et ladite ouverture externe constituent avec une chambre de répartition des écoulements située entre les parties coniques des pièces externe et interne, ledit élément fluidique à effet Coanda.
en ce que ladite sortie de la tuyère sous la forme d'un anneau cylindrique, ladite ouverture annulaire qui est une ouverture médiane, ladite ouverture interne, et ladite ouverture externe constituent avec une chambre de répartition des écoulements située entre les parties coniques des pièces externe et interne, ledit élément fluidique à effet Coanda.
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|---|---|---|---|
| FR7724268A FR2399530A1 (fr) | 1977-08-05 | 1977-08-05 | Outil de forage rotatif equipe d'un dispositif de percussion |
| FR7724268 | 1977-08-05 |
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|---|---|---|---|
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