EP0088705A1 - Marteau pneumatique du type "fond-de-trou" - Google Patents

Marteau pneumatique du type "fond-de-trou" Download PDF

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EP0088705A1 EP83400495A EP83400495A EP0088705A1 EP 0088705 A1 EP0088705 A1 EP 0088705A1 EP 83400495 A EP83400495 A EP 83400495A EP 83400495 A EP83400495 A EP 83400495A EP 0088705 A1 EP0088705 A1 EP 0088705A1
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piston
supply
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Christian De Gelis
Marcel Techy
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Stenuick Freres SA
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Stenuick Freres SA
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/12—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor using drilling pipes with plural fluid passages, e.g. closed circulation systems
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/14—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor using liquids and gases, e.g. foams
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/06—Down-hole impacting means, e.g. hammers
    • E21B4/14—Fluid operated hammers

Definitions

  • the present invention relates to a pneumatic drilling hammer, and more particularly a hammer of the "down-the-hole” type, that is to say intended to work at the very bottom of the hole that is being drilled.
  • Such devices are therefore placed at the end of a set of tubes which serve to transmit the compressed operating air to it as well as the thrust and the general rotational movement to regularize the action of the perforating cutter.
  • Such pneumatic hammers intended to work at the bottom of the hole generally comprise a tubular body supplied with compressed air, a distribution mechanism, a striking piston, and a cutting edge receiving the impacts of the striking piston to transmit them to the rock.
  • the striking piston is movable in a cylinder formed by an inner jacket, and between the jacket and the inner wall of the hammer body are provided longitudinal passages serving to bring the compressed air acting on the piston, other passages serving the exhaust of air after its action on either side of the striking piston.
  • Such hammers When such hammers are provided for an independent supply of a cuttings flushing fluid, they comprise an axial connection piece to the piping for supplying the fluid through the drilling tubes, and an axial tube passing right through the whole assembly of the hammer, that is to say in particular the striking piston, to come out in an axial bore formed in the cutter.
  • a pneumatic hammer has been described for example in the French patent published under number 2,044,939.
  • the present invention allows a significant reduction in these costs, and in particular, with the same drilling efficiency, a significant reduction in energy consumption.
  • the invention therefore relates to a pneumatic drilling hammer of the type "downhole", comprising a tubular body supplied with compressed air carrying a perforating cutter, and in which a striking piston is set in reciprocating motion in an inner sleeve forming a sheath by a mechanism for distributing compressed air alternately to - above and below the striking piston so that it cyclically strikes the cutting edge and goes up.
  • the hammer comprises two separate supplies of compressed air, respectively at high and low pressure, the distribution mechanism alternately ensuring the supply of high pressure air to the upper chamber above the striking piston to project it towards the cutting with exhaust from the lower chamber, then the low-pressure air supply from the lower chamber to raise the piston with exhaust from the upper chamber.
  • the supply of low pressure air to the lower chamber is provided by an internal axial chamber of the striking piston, while the supply of high pressure air to the upper chamber is provided by lights. crossing the sheath and longitudinal grooves formed externally in the thickness of the sheath.,
  • Figure 1 is a general view in longitudinal section, in two parts, of a pneumatic hammer produced according to the invention.
  • Figures 2 to 5 are partial views which show the successive positions of the striking piston during an operating cycle.
  • the main body 1 of the hammer is screwed at its lower part onto a nozzle 2 in which slides the grooved tail of the perforating cutter 3.
  • the tail of the cutter is stopped in rotation relative to the body, and limited in axial displacement by a tangential key 4 which bears on a clearance 5 of the tail.
  • a cylindrical sheath 3 internally doubles the body 1 over almost its entire length.
  • the sleeve 7 is supported on a spacer ring 8 of generally conical shape, pierced with radial orifices 9, and which itself is supported on the end piece 2.
  • the other end of the sleeve 7 is in abutment on a ring 10 provided with radial conduits 11.
  • the ring 10 is held by the end of the rac end cord 13 screwed onto the body 1.
  • the end piece 13 receives the usual pieces of connection with the tubes and rods for supplying and operating the hammer.
  • the part 15 which transmits the thrust on the hammer forms a first annular conduit 16 around a tube 17; a second annular conduit 18 is formed between the internal face of the tube 17 and a central tube 19.
  • the sleeve 7 serves as a guide for the sliding striker piston 21 which can move freely between a low position as shown in Figure 1 where it is in contact with the end of the tail of the cutter, and a high position as will be seen later in the description of the operation of the device.
  • the upper part of the striker 21 permanently encloses the lower part of the tube 17, the solid lower end 23 of which has channels 24 which make the annular duct 18 communicate with a central chamber 25 inside the striker 21.
  • the chamber 25 is extended by two axial conduits 26 and 27, the latter opening at the bottom of the batter. Externally the striker 21 has a circular groove 28.
  • the outer surface of the sleeve 7 has three series of longitudinal grooves; to simplify the drawing, only one groove of each type has been shown here.
  • a first series of upper grooves 30 communicates the annular chamber 31 which surrounds the ring 10 with as many orifices 32 which open out inside the sheath.
  • a second series of lower grooves 34 lead to the annular chamber 35 surrounding the lower ring 8; the orifices 36 and 37 pass through the wall of the sheath 7 and open into these grooves 34.
  • a third series of grooves 39 connects the orifices 40 and 41 which also pass through the wall of the sheath 7.
  • the chamber 35 communicates with the outside of the hammer by the conduits 9, by the games between the grooves of the cutting edge and the conjugate grooves of the end piece 2, and by the chamber 47 which communicates to the outside via the exhaust pipes 48.
  • the central tube 19 is used for the supply of water used to drive the cuttings down the hole.
  • the tube 19 is extended at the bottom until it enters the tail of the cutter which has a conjugate central channel 43.
  • the penetration of the tube into the tail of the cutter is determined so that the tube remains engaged whatever the position. of the cutting edge in its axial displacement.
  • the central channel 43 is extended by a channel 44 which opens out through orifices 45 at the periphery of the cutting edge to chase the spoils.
  • the outer annular duct 16 is supplied with compressed air at high pressure, for example under 20 to 25 bars.
  • the inner annular duct 18 is supplied with compressed air at low pressure, for example at 6 bars.
  • FIG. 2 the striking piston 21 is shown in the low position, just after its impact on the tail of the cutter.
  • the high pressure air fills the conduit 16, the intermediate chamber 49, the conduits 11, the annular chamber 31, the grooves 30 and the orifices 32; but these, inside the sheath, are closed by the striker 21 and the high pressure air remains trapped in the grooves 30.
  • the low pressure air which arrives via the conduit 18 passes through the conduits 24 in the chamber 25, and from there via the conduits 26 and 27 fills the lower chamber 50 under the striker 21.
  • the pressure in the lower chamber 50 causes the striker 21 to rise without any reaction other than its own weight because the upper chamber 51 then communicates freely with the exhaust outside the hammer through the orifices 36, the grooves 34 and the chamber 35.
  • the striker 21 first closes the high pressure supply to the chamber 51, then puts the latter in the exhaust by uncovering the orifices 36. A little before the impact on the end of the tail of the cutting edge the exhaust of the chamber 50 is closed by closing the orifices 37, then the low pressure air is again brought into the chamber 50 by opening the orifices 24 on the chamber 25, and the cycle can start again.
  • both the high pressure air after action in the upper chamber 51 and the low pressure air after working in the lower chamber 50 are found mixed in the chamber 35, then at the outlet of the hammer in conduits 48.

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Abstract

Marteau pneumatique de perforation, du type "fond de trou", comportant un corps tubulaire (1) alimenté en air comprimé et un piston frappeur (21) en mouvement alternatif dans une chemise (7) sous l'effet d'une distribution d'air comprimé, pour venir cycliquement frapper sur le taillant (3). Le marteau comporte deux alimentations séparées (16, 18) en air comprimé respectivement à haute et basse pression. L'air haute pression n'est utilisé que dans la chambre (51) pour projeter le piston (21) vers le taillant; l'air basse pression n'est utilisé que dans la chambre (50) pour faire remonter le piston (21).

Description

  • La présente invention concerne un marteau pneumatique de forage, et plus particulièrement un marteau du type "fond-de-trou", c'est à dire destiné à travailler au fond même du trou que l'on est en train de forer.
  • De tels appareils sont donc disposés à l'extrémité d'un ensemble de tubes qui servent à lui transmettre l'air comprimé de fonctionnement ainsi que la poussée et le mouvement général de rotation pour régulariser l'action du taillant de perforation.
  • De tels marteaux pneumatiques destinés à travailler au fond du trou comportent généralement un corps tubulaire alimenté en air comprimé, un mécanisme de distribution, un piston frappeur,'et un taillant recevant les chocs du piston frappeur pour les transmettre à la roche. Le piston frappeur est mobile dans un cylindre formé par une chemise intérieure, et entre la chemise et la paroi intérieure du corps du marteau sont ménagés des passages longitudinaux servant à amener l'air comprimé agissant sur le piston, d'autres passages servant à l'échappement de l'air après son action sur l'une ou l'autre face du piston frappeur. Lorsque de tels marteaux sont prévus pour une amenée indépendante d'un fluide de chasse de déblais, ils comportent une pièce de raccordement axial à la tuyauterie d'amenée du fluide à travers les tubes de forage, et un tube axial traversant de part en part tout l'ensemble du marteau, c'est à dire en particulier le piston frappeur, pour venir déboucher dans un alésage axial ménagé dans le taillant. Un tel marteau pneumatique a été décrit par exemple dans le brevet français publié sous le numéro 2.044.939.
  • Pour obtenir des efforts suffisants de frappe du piston frappeur sur le taillant, et par conséquent sur la roche à briser, on utilise de l'air comprimé sous forte pression, sous 20 à 25 bars par exemple. La consommation qui peut être de l'ordre par exemple de 10 à 15 Nm3 par minute impose donc l'utilisation de compresseurs de fort débit sous forte pression, c'est à dire de matériels lourds et encombrants. Il s'agit en outre de matériels onéreux, aussi bien en valeur d'achat et d'immobilisation, qu'en coût de fonctionnement car la consommation d'énergie est importante.
  • La présente invention permet une réduction importante de ces coûts, et en particulier, à même efficacité de forage, une importante réduction de la consommation d'énergie.
  • L'invention concerne donc un marteau pneumatique de forage de type "fond-de-trou", comportant un corps tubulaire alimente en air comprimé portant un taillant de perforation, et dans lequel un piston frappeur est mis en mouvement alternatif dans une chemise intérieure formant fourreau par un mécanisme de distribution d'air comprimé alternativement au-dessus et au-dessous du piston frappeur de manière à ce qu'il vienne cycliquement frapper sur le taillant et remonter.
  • Selon l'invention le marteau comporte deux alimentations séparées d'air comprimé, respectivement à haute et basse pression, le mécanisme de distribution assurant alternativement l'alimentation en air haute pression de la chambre supérieure au-dessus du piston frappeur pour le projeter vers le taillant avec mise à l'échappement de la chambre inférieure, puis l'alimentation en air basse pression de la chambre inférieure pour faire remonter le piston avec mise à l'échappement de la chambre supérieure.
  • Selon une forme particulière de réalisation de l'invention l'alimentation en air basse pression de la chambre inférieure est assurée par une chambre axiale intérieure du piston frappeur, tandis que l'alimentation en air haute pression de la chambre supérieure est assurée par des lumières traversant le fourreau et des rainures longitudinales formées extérieurement dans l'épaisseur du fourreau.,
  • L'invention sera mieux comprise en se référant à un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés.
  • La figure 1 est une vue générale en coupe longitudinale, en deux parties, d'un marteau pneumatique réalisé selon l'invention.
  • Les figures 2 à 5 sont des vues partielles qui montrent les positions successives du piston frappeur au cours d'un cycle de fonctionnement.
  • En se référant tout d'abord à l'ensemble des deux parties de la figure 1, on verra que le corps principal 1 du marteau est vissé à sa partie inférieure sur un embout 2 dans lequel coulisse la queue cannelée du taillant de perforation 3. La queue du taillant est arrêtée en rotation par rapport au corps, et limitée en déplacement axial par une clavette tangentielle 4 qui porte sur un dégagement 5 de la queue.
  • Un fourreau cylindrique 3 double intérieurement le corps 1 sur presque toute sa longueur. A sa partie inférieure le fourreau 7 prend appui sur une bague entretoise 8 de forme générale conique, percée d'orifices radiaux 9, et qui prend elle-même appui sur l'embout 2. De façon analogue l'autre extrémité du fourreau 7 est en butée sur une bague 10 munie de conduits radiaux 11. La bague 10 est maintenue par l'extrémité de l'embout de raccordement 13 vissé sur le corps 1. Par son autre extrémité l'embout 13 reçoit les pièces usuelles de liaison avec les tubes et tiges d'alimentation et de manoeuvre du marteau. La pièce 15 qui transmet la poussée sur le marteau forme un premier conduit annulaire 16 autour d'un tube 17 ; un second conduit annulaire 18 est formé entre la face interne du tube 17 et un tube central 19.
  • Par sa surface interne le fourreau 7 sert de guide au piston frappeur coulissant 21 qui peut se déplacer librement entre une position basse telle que représentée sur la figure 1 où il est au contact de l'extrémité de la queue du taillant, et une position haute comme on le verra plus loin lors de la description du fonctionnement de l'appareil. La partie supérieure du frappeur 21 enserre en permanence la partie basse du tube 17 dont l'extrémité inférieure pleine 23 comporte des canaux 24 qui font communiquer le conduit annulaire 18 avec une chambre centrale 25 à l'intérieur du frappeur 21. La chambre 25 est prolongée par deux conduits axiaux 26 et 27, ce dernier débouchant à la partie inférieure du frappeur. Extérieurement le frappeur 21 comporte une gorge circulaire 28.
  • La surface extérieure du fourreau 7 comporte trois séries de rainures longitudinales ; pour simplifier le dessin on n'a représenté ici qu'une seule rainure de chaque type. Une première série de rainures supérieures 30 fait communiquer la chambre annulaire 31 qui entoure la bague 10 avec autant d'orifices 32 qui débouchent à l'intérieur du fourreau. Une deuxième série de rainures inférieures 34 aboutissent à la chambre annulaire 35 entourant la bague inférieure 8 ; les orifices 36 et 37 traversent la paroi du fourreau 7 et débouchent dans ces rainures 34. Enfin une troisième série de rainures 39 fait communiquer les orifices 40 et 41 qui traversent aussi la paroi du fourreau 7.
  • On notera que la chambre 35, autour de la bague 8, communique avec l'extérieur du marteau par les conduits 9, par les jeux entre les cannelures du taillant et les gorges conjuguées de l'embout 2, et par la chambre 47 qui communique avec l'extérieur par les conduits d'échappement 48.
  • Le tube central 19 sert à l'amenée d'eau utilisée pour chasser les déblais en fond de trou. Pour cela le tube 19 se prolonge à la partie inférieure jusqu'à pénétrer dans la queue du taillant qui comporte un canal central conjugué 43. La pénétration du tube dans la queue du taillant est déterminée pour que le tube reste engagé quelle que soit la position du taillant dans son déplacement axial. Le canal central 43 est prolongé par un canal 44 qui vient déboucher par des orifices 45 à la périphérie du taillant pour en chasser les déblais.
  • Le conduit annulaire extérieur 16 est alimenté en air comprime à haute pression, par exemple sous 20 à 25 bars. Le conduit annulaire intérieur 18 est alimenté en air comprimé à basse pression par exemple sous 6 bars.
  • On n'a pas représenté sur les dessins les raccords d'alimentation simultanée du marteau par les trois fluides différents, liquide de chasse pour le tube central 19, air basse pression pour le conduit 18, air haute pression pour le conduit 16. De tels raccords, ainsi que la structure des tubes allonges de liaison avec la surface ont été déjà décrits par exemple par le brevet français publié sous le numéro 2.126.118.
  • On se référera maintenant aux figures 2 à 5 pour comprendre le fonctionnement du marteau, ainsi alimenté en air comprimé sous deux pressions différentes. Sur la figure 2, comme sur la figure 1 précédente, le piston frappeur 21 est représenté en position basse, juste après son impact sur la queue du taillant. Dans cette position l'air à haute pression remplit le conduit 16, la chambre intermédiaire 49, les conduits 11, la chambre annulaire 31, les rainures 30 et les orifices 32 ; mais ceux-ci, à l'intérieur du fourreau, sont obturés par le frappeur 21 et l'air haute pression reste prisonnier dans les rainures 30. Par contre l'air à basse pression qui arrive par le conduit 18 passe par les conduits 24 dans la chambre 25, et de là par les conduits 26 et 27 remplit la chambre inférieure 50 sous le frappeur 21. La pression dans la chambre inférieure 50 fait remonter le frappeur 21 sans autre réaction que son propre poids car la chambre supérieure 51 communique alors librement avec l'échappement à l'extérieur du marteau par les orifices 36, les rainures 34 et la chambre 35.
  • Lorsque dans sa course de remontée le frappeur atteint la position représentée à la figure 3, l'arrivée d'air à basse pression est interrompue par obturation des orifices 24 par les parois de la chambre 26. En même temps la chambre 50 est mise à l'échappement par l'ouverture des orifices 37 qui la font alors communiquer avec les rainures 34.
  • Sous l'impulsion donnée le frappeur 21 va poursuivre sa course vers le haut et la gorge 28 va se trouver face aux orifices 32 et se remplir d'air à haute pression.
  • Lorsque le frappeur atteint la position représentée à la figure 4 la gorge 28, déjà pleine d'air sous haute pression, fait directement communiquer les orifices 32 et 40, si bien que par les rainures 39 et les orifices 41 la chambre 51 se trouve remplie d'air sous haute pression.
  • Les orifices d'échappement 36 étant déjà fermés, la haute pression dans la chambre 51 repousse violemment le frappeur 21 vers le bas, sans contrepression puisque la chambre inférieure 50 est alors à l'échappement par les orifices découverts 37.
  • Au cours de sa course descendante (figure 5), le frappeur 21 ferme d'abord l'alimentation haute pression de la chambre 51, puis met celle-ci à l'échappement en découvrant les orifices 36. Un peu avant l'impact sur l'extrémité de la queue du taillant l'échappement de la chambre 50 est fermé par obturation des orifices 37, puis l'air basse pression est à nouveau amené dans la chambre 50 par ouverture des orifices 24 sur la chambre 25, et le cycle peut recommencer.
  • On voit qu'ainsi à chaque cycle, c'est à dire à chaque aller et retour du frappeur 21, seule la phase active de lancée du frappeur vers le taillant est consommatrice d'air à haute pression, tandis que la phase inactive de remontée ne consomme que de l'air sous basse pression ; l'effort engendré par la basse pression dans la chambre 50 est suffisante pour assurer la libre remontée du frappeur qui bénéficie d'ailleurs de l'effet de rebond lors du choc sur l'extrémité de la queue du taillant. La consommation en air à haute pression est donc globalement divisée sensiblement par deux, ce qui permet pour la même puissance de perforation, d'utiliser un matériel beaucoup moins encombrant, moins coûteux à l'achat et moins coûteux en consommation d'énergie. L'alimentation en air comprimé sous basse pression de l'ordre de 6 bars ne nécessite en effet qu'un raccordement à un réseau usuel de distribution, ou un groupe compresseur de faible coût d'achat et de consommation.
  • On notera qu'à l'échappement, aussi bien l'air haute pression après action dans la chambre supérieure 51 que l'air basse pression après travail dans la chambre inférieure 50, se retrouvent mélangés dans la chambre 35, puis à la sortie du marteau dans les conduits 48.
  • Bien entendu l'invention n'est pas strictement limitée au mode de ré- alisation qui vient d'être décrit à titre d'exemple, mais elle couvre également les réalisations qui n'en différeraient que par des détails, par des variantes d'exécution, ou par l'utilisation de moyens équivalents.
  • Ainsi, bien que la description ci-dessus ait été faite pour un marteau pneumatique comportant une amenée centrale de fluide de chasse, on observerait le même avantage de réduction de consommation d'énergie pour un marteau sans fluide de chasse, et dont les déblais ne seraient évacués que par l'air d'échappement issu des conduits 48.

Claims (4)

1.- Marteau pneumatique de perforation de type "fond-de-trou", comportant un corps tubulaire (1) alimenté en air comprimé et portant un taillant de perforation (3), et dans lequel un piston frappeur (21) est mis en mouvement de va-et-vient dans une chemise intérieure (7) formant fourreau par un mécanisme de distribution de l'air comprimé alternativement au-dessus et au-dessous du piston frappeur de manière à ce qu'il vienne cyniquement frapper sur le taillant et remonter, caractérisé par le fait que le marteau comporte deux alimentations séparées (16, 18) d'air comprimé, respectivement à haute et basse pression, le mécanisme de distribution assurant alternativement l'alimentation en air haute pression de la chambre supérieure (51) au-dessus du piston (21) pour le projeter vers le taillant avec mise à l'échappement de la chambre inférieure (50), puis l'alimentation en air basse pression de la chanbre inférieure (50) pour faire remonter le piston (21) avec mise à l'échappement de la chambre supérieure (51).
2.- Marteau pneumatique selon revendication 1, caractérisé par le fait que l'alimentation en air basse pression de la chambre inférieure est assurée par une chambre axiale intérieure (25) du piston frappeur (21), tandis que l'alimentation en air haute pression de la chambre supérieure (51) est assurée par des lumières (32, 40, 41) traversant le fourreau (7) et des rainures longitudinales (30, 39) formées extérieurement dans l'épaisseur du fourreau.
3.- Marteau pneumatique selon revendication 1, caractérisé par le fait que les conduits déchappement (36, 37), respectivement de l'air haute pression de la chambre supérieure (51) et de l'air basse pression de la chambre inférieure (50), présentent une partie commune (34) débouchant à la partie inférieure du marteau.
4.- Marteau pneumatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un conduit axial (19) d'alimentation en fluide de chasse des déblais.
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