CH627230A5

CH627230A5 -

Info

Publication number: CH627230A5
Application number: CH815778A
Authority: CH
Inventors: Mario Carbonaro
Original assignee: Petroles Cie Francaise
Priority date: 1977-08-05
Filing date: 1978-07-28
Publication date: 1981-12-31
Also published as: BR7804973A; NO152664B; DE2834388C2; AU3865878A; DE2834388A1; NL172183B; FR2399530A1; MX145580A; JPS5916069B2; FR2399530B1; BE869552A; US4275794A; AR223822A1; NO782667L; GB2002051A; AU524705B2; IT7826288A0; ES472347A1; NL172183C; CA1110225A

Description

La présente invention a pour objet un outil de forage rotatif équipé d'un dispositif de percussion et pourvu d'un élément fluidique de commande où s'effectue la commutation d'un fluide, d'après le gradient de pression de celui-ci, entre l'une et l'autre de deux voies d'écoulement constamment ouvertes sur ledit élément et munies chacune d'une surface à laquelle le fluide peut s'attacher par effet Coanda, cet élément fluidique étant disposé sur une arrivée de boue de forage.

L'outil selon l'invention est caractérisé en ce que l'écoulement de la boue de forage dans une première de ces deux voies d'écoulement agit sur une masse de percussion comprise entre ledit élément fluidique et une pièce de butée solidaire du corps supportant l'outil et entraîne cette masse vers cette pièce de butée jusqu'à ce que la masse percute la pièce de butée, tandis que l'arrivée de la masse sur la pièce de butée provoque la commutation de l'élément fluidique sur la deuxième des voies d'écoulement.

Ainsi, on obtient une adaptation automatique de la cadence de percussion à l'outil utilisé et à ses conditions d'utilisation, avec un organe de commande simple sans pièces mobiles, notamment sans valves, l'entraînement de la masse de percussion par la boue de forage ne nécessitant, par ailleurs, aucune disposition d'étanchéité particulière. La boue de forage assure un contrôle précis de la percussion, tout en pouvant continuer à jouer son rôle habituel dans la lubrification et le retour des débris. La cadence de percussion étant proportionnelle au débit de la boue de forage, l'outil travaille avec le rendement maximal.

On peut, dans ces conditions, opérer aussi bien à des fréquences très basses que très élevées.

Les 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 fïg. 1 est une représentation en coupe axiale d'un mode de réalisation de l'outil;

la fïg. 2 un agrandissement de la partie supérieure de l'outil, et la fïg. 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 d'un élément fluidique de commutation à effet Coanda comprenant 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 5 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 externe, 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 pénétrant à la base de la masse 11. Au-dessous 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 avec le canal 17 de sortie de la boue par les ouvertures 16 de la pièce 12.

La configuration 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 façon 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 écoulement 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'écoulement 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 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'écoulement 32 se trouve ainsi brusquement stoppé, de sorte que le canal 6 de la pièce 10 reçoit une brusque réaction 33, sollicitant 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'écoulement 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. Cela 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'alimentation 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

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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. Cela 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 a cessé, et le cycle reprend. Le passage 25 peut donc être supprimé.

On peut, en outre, indépendamment du point discuté 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 fïg. 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 5 l'outil 18 ou du cône de fixation 19. Bien 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 io 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 15 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 20 percutant et donc l'énergie 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 25 masses reliées rigidement par la tige 14, le ressort n'étant plus monté comme indiqué aux fig. 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 détail 30 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.

2 feuilles dessins

Claims

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REVENDICATIONS

1. Outil de forage rotatif équipé d'un dispositif de percussion et pourvu d'un élément fluidique de commande où s'effectue la commutation d'un fluide, d'après le gradient de pression de celui-ci, entre l'une et l'autre de deux voies d'écoulement constamment ouvertes sur ledit élément et munies chacune d'une surface à laquelle le fluide peut s'attacher par effet Coanda, cet élément fluidique étant disposé sur une arrivée de bouè' de forage, caractérisé en ce que l'écoulement de la boue de forage dans une première de ces deux voies d'écoulement agit sur une masse de percussion comprise entre ledit élément fluidique et une pièce de butée solidaire du corps supportant l'outil et entraîne cette masse vers cette pièce de butée jusqu'à ce que la masse percute la pièce de butée, tandis que l'arrivée de la masse sur la pièce de butée provoque la commutation de l'élément fluidique sur la deuxième des voies d'écoulement.
2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que 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 selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément fluidique est commandé par la fermeture de la première des voies d'écoulement et les augmentations de pression associées résultant de l'arrêt du mouvement de la masse par une pièce de butée.
4. Outil selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'écoulement dans la deuxième des voies d'écoulement est rendu instable par construction de la surface interne de la première pièce externe.
5. Outil selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'écoulement dans la deuxième des voies d'écoulement est rendu instable par le retour d'une partie de l'écoulement le long de la surface externe de la première pièce externe.
6. Outil selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que 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 selon la revendication 6, caractérisé en ce que 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.
8. Outil selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'extrémité de la surface interne délimitant l'orifice d'entrée de l'élément fluidique est bordée intérieurement d'un passage communiquant avec la chambre dans laquelle se déplace la masse de percussion.
9. Outil selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte 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 selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que 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'écoulement 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 selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'espace d'écoulement, compris entre la cloison externe de guidage d'écoulement de l'élément fluidique et le séparateur d'écoulement, conduit en outre à la sortie de la boue de forage.
12. Outil selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que 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'entrée de l'élément de commande fluidique.
13. Outil selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'élément fluidique est bistable.
14. Outil selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'élément fluidique est monostable.
15. Outil selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la masse est fixée à une tige de guidage limitant l'éloignement de la masse de sa butée.
16. Outil selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la masse est sollicitée par un ressort.
17. Outil selon l'une des revendications 15 ou 16, caractérisé en ce que 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 selon l'une des revendications 15 ou 16, caractérisé en ce que l'écoulement le long de la surface externe s'effectue exclusivement sur sa surface externe, celle-ci rendant cet écoulement instable p£ir construction.
19. Outil selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que 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'écoulement stable lors de l'arrêt de la masse sur sa butée.
20. Outil selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que 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 selon l'une des revendications 15 à 20, caractérisé en ce que 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'écoulement axial.
22. Outil selon l'une des revendications 15 à 20, caractérisé en ce que 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 selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'impact se réalise entre la deuxième masse et une pièce de butée solidaire du corps supportant l'outil.
24. Outil selon l'une des revendications 22 ou 23, caractérisé en ce que le ressort de rappel de la tige de guidage des masses est situé en dessous de la masse inférieure.

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 fermeture 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 difficultés, 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,

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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 à leur périphérie par un cylindre élastique. L'entrée en résonance de ces masses, au moyen de l'oscillateur, communique à l'outil, solidaire d'une de ces masses, des vibrations favorisant l'avancement.