EP0601916B1 - Hydraulic motor mit for driving a drilling tool - Google Patents
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
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- E21B3/00—Rotary drilling
- E21B3/02—Surface drives for rotary drilling
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- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03C—POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
- F03C1/00—Reciprocating-piston liquid engines
- F03C1/22—Reciprocating-piston liquid engines with movable cylinders or cylinder
- F03C1/24—Reciprocating-piston liquid engines with movable cylinders or cylinder in which the liquid exclusively displaces one or more pistons reciprocating in rotary cylinders
- F03C1/2407—Reciprocating-piston liquid engines with movable cylinders or cylinder in which the liquid exclusively displaces one or more pistons reciprocating in rotary cylinders having cylinders in star or fan arrangement, the connection of the pistons with an actuated element being at the outer ends of the cylinders
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Definitions
- a drilling tool is driven by a hydraulic motor at a single speed of rotation, or in a range of speeds of rotation which are ill-suited to the various operating phases.
- the object of the invention is to remedy the shortcomings observed by providing for the driving of the drilling tool over a much greater range of rotational speeds than before, and at the time of drilling, with a greater engine torque.
- the invention therefore relates to a power unit comprising: a frame; a driven shaft rotatably mounted relative to the frame about an axis of rotation; a first pressurized fluid motor having a corrugated cam fixed relative to said frame; a cylinder block secured to the rotation of said driven shaft; a plurality of cylinders formed in the cylinder block and arranged radially with respect to the axis of rotation; a plurality of pistons mounted sliding in the cylinders and capable of bearing reaction pressure on said cam; the shaft being capable of being driven by the first motor at at least a first rotational speed and having a recess which constitutes a passage, which, in a configuration of the rotary coupling of a drilling tool to said shaft, conveys the drilling fluid to the drilling tool, and the cylinder block of said first engine being coaxial with the axis of rotation.
- this motor unit comprises a second motor, which is coupled in rotation to said shaft and which is capable of driving this shaft at a second speed of rotation substantially greater than said first speed of rotation;
- a first gear pinion is integral with respect to the rotation of the shaft, surrounds said shaft and is coaxial with the axis of rotation;
- the second motor has an output shaft, of which is secured in rotation a second gear pinion which meshes with said first gear pinion;
- the first pressurized fluid motor is of the “disengageable pistons” type and is provided for this purpose with a disengaging mechanism capable of controlling the withdrawal of said pistons from the support of the corrugated cam.
- the main advantage of the invention lies in obtaining a satisfactory permanent adaptation of the drive device, both to the various operating phases and to the various tools used.
- the assembly shown in FIG. 1 comprises a frame 1 for fixing, for example on the infrastructure located on the surface of an oil well, a first motor 2, a second motor 3, a casing 4 of speed reducer, and , a hollow shaft 5 for driving a drilling tool not shown in the figure, connected to the shaft 5 by a train of hollow drilling rods, allowing the circulation of drilling mud between the surface infrastructure and the drilling tool.
- the shaft 5 has an inner cylindrical recess 6, of diameter D6, of axis 7, and is mounted for rotation relative to said frame 1, around the axis 7, by means of bearings 8, tapered roller bearings in the represented achievement.
- the first motor 2 is a two-displacement motor known in itself, with disengageable pistons under the effect of the pressure of a clutch control fluid admitted into the enclosure 20 via the conduit 54, so similar to that described in FR-A-2 025 354.
- the first motor 2 could, as a variant, be provided with a device for disengaging its pistons comprising springs, as shown in FR-A-2 504 987.
- the declutching configuration obtained in all cases corresponds to reentry inside the cylinders of the pistons 16, the working chambers 17 of which are no longer supplied with pressurized fluid, the rollers 19 associated with said pistons then being out of support of cam 18.
- this first motor 2 is known in its general constitution, it nevertheless has the following particularity: the diameter D6 of the recess 6 of the shaft 5 is particularly large compared to the diameter D9, external of part 9 of the casing, measured in a transverse plane P18 intersecting the cam 18. It is in particular interesting that D6 is greater than or equal to D9 x 0.25, the embodiment shown does not, however, include this advantageous characteristic.
- the casing 4 of a speed reducer comprising a large pinion 56 and a small pinion 57, which mesh with each other.
- the casing 4 is distinct from the casing 1-9-10 of the first engine, and is isolated from the enclosure 20 by a seal 58 interposed between the shaft 5 and a bore 59 of the part 10 of the casing of the first engine crossed by the shaft 5, and by a seal 60 interposed between the part 10 of the casing of the first motor and the removable end bottom 61 delimiting the pilot chamber 48.
- a ball bearing 62 is interposed between the shaft 5 and the casing 4 of the speed reducer.
- the casing 63 of the second motor 3 is fixed, which, in this case, is a "fast" hydraulic motor. It is advantageous to use a second hydraulic type motor because of the availability of the elements of the control circuit of the first hydraulic motor, but as a variant, this second motor could be of another type, for example electric.
- This second motor 3 has an engine output shaft 64, which is integral with the second pinion 57 by means of associated splines 65, with which these two parts are provided.
- the first pinion 56 is itself integral with the shaft 5, which passes through it via associated grooves 66, which are provided with these two parts.
- the first pinion 56 is also coaxial with the axis 7.
- the second motor 3 is provided with two main connections 67, 68 for supplying pressurized fluid and fluid exhaust, connected to external conduits 69, 70, respectively, and is provided with a third connection 71, for leakage return, connected to an external conduit 72.
- the first motor 2 could have three separate displacements, and therefore three rotational speeds, such as 70, 140 and 210 revolutions per minute.
- the fourth fluid distributor 79 makes it possible to select the displacement of the first motor 2 (the number of working chambers 17 periodically supplied with pressurized fluid) and makes it possible to place the drawer 43 in its first or in its second position. Having chosen one of the positions of this fourth fluid distributor, the speed of rotation of the first motor 2 corresponding to the cubic capacity selected is also chosen.
- the shaft 5, and the drill string attached thereto drives a drilling tool during the penetration phase of the tool into the ground.
- the selection of the speed of rotation of the first motor 2 is carried out according to the nature of the terrain and its reaction to the drilling tool. With a motor with two rotational speeds (70 and 140 revolutions per minute for example), drilling tools of a first type may be driven, the specific speeds of which for hard or soft ground are equal to or close to the two speeds of the first engine.
- the selection of the speed of rotation of the second motor 3 corresponds to the use of a tool of a second type whose specific speed is much higher than that of the tool of the first type. It is further observed that the adjustment (73A) of the flow delivered by the main pump 73 allows additional adjustment of the rotational speeds of the motors 2 and 3.
- the motor unit drives the shaft 5 at the speed of rotation always adapted to the drilling tool used and to the selected operating phase.
- the shaft 5 being hollow allows the circulation of drilling mud, the dimension D6 of the recess 6 making this circulation free from restriction.
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Description
De manière connue, un outil de forage est entraîné par un moteur hydraulique à une vitesse de rotation unique, ou dans une plage de vitesses de rotation mal adaptées aux diverses phases de fonctionnement.In known manner, a drilling tool is driven by a hydraulic motor at a single speed of rotation, or in a range of speeds of rotation which are ill-suited to the various operating phases.
L'invention a pour but de remédier aux insuffisances constatées en prévoyant l'entraînement de l'outil de forage sur une plage de vitesses de rotation beaucoup plus grande qu'antérieurement, et au moment du forage, avec un couple moteur plus grand.The object of the invention is to remedy the shortcomings observed by providing for the driving of the drilling tool over a much greater range of rotational speeds than before, and at the time of drilling, with a greater engine torque.
L'invention est donc relative à un groupe moteur comprenant: un bâti; un arbre mené monté à rotation par rapport au bâti autour d'un axe de rotation; un premier moteur à fluide sous pression possédant une came ondulée fixe par rapport audit bâti; un bloc-cylindres solidaire, vis-à-vis de la rotation, dudit arbre mené; une pluralité de cylindres ménagés dans le bloc-cylindres et disposés radialement par rapport à l'axe de rotation; une pluralité de pistons montés coulissant dans les cylindres et susceptibles de prendre appui de réaction sur ladite came; l'arbre étant susceptible d'être entraîné par le premier moteur à au moins une première vitesse de rotation et présentant un évidement qui constitue un passage, qui, dans une configuration de l'attelage en rotation d'un outil de forage audit arbre, véhicule le fluide de forage jusqu'à l'outil de forage, et le bloc-cylindres dudit premier moteur étant coaxial à l'axe de rotation.The invention therefore relates to a power unit comprising: a frame; a driven shaft rotatably mounted relative to the frame about an axis of rotation; a first pressurized fluid motor having a corrugated cam fixed relative to said frame; a cylinder block secured to the rotation of said driven shaft; a plurality of cylinders formed in the cylinder block and arranged radially with respect to the axis of rotation; a plurality of pistons mounted sliding in the cylinders and capable of bearing reaction pressure on said cam; the shaft being capable of being driven by the first motor at at least a first rotational speed and having a recess which constitutes a passage, which, in a configuration of the rotary coupling of a drilling tool to said shaft, conveys the drilling fluid to the drilling tool, and the cylinder block of said first engine being coaxial with the axis of rotation.
Selon l'invention, les dispositions suivantes sont adoptées: A) ce groupe moteur comprend un deuxième moteur, qui est attelé en rotation audit arbre et qui est susceptible d'entraîner cet arbre à une deuxième vitesse de rotation sensiblement supérieure à ladite première vitesse de rotation; B) un premier pignon d'engrenage est solidaire vis-à-vis de la rotation de l'arbre, entoure ledit arbre et est coaxial à l'axe de rotation; C) le deuxième moteur possède un arbre de sortie, dont est solidaire en rotation un deuxième pignon d'engrenage qui engrène avec ledit premier pignon d'engrenage; et D) le premier moteur à fluide sous pression est du type à "pistons débrayables" et est muni à cet effet d'un mécanisme de débrayage susceptible de commander le retrait desdits pistons hors d'appui de la came ondulée.According to the invention, the following provisions are adopted: A) this motor unit comprises a second motor, which is coupled in rotation to said shaft and which is capable of driving this shaft at a second speed of rotation substantially greater than said first speed of rotation; B) a first gear pinion is integral with respect to the rotation of the shaft, surrounds said shaft and is coaxial with the axis of rotation; C) the second motor has an output shaft, of which is secured in rotation a second gear pinion which meshes with said first gear pinion; and D) the first pressurized fluid motor is of the “disengageable pistons” type and is provided for this purpose with a disengaging mechanism capable of controlling the withdrawal of said pistons from the support of the corrugated cam.
Les avantageuses dispositions suivantes sont de préférence adoptées:
- le premier moteur à fluide sous pression possède un carter fermé contenant le bloc-cylindres, susceptible de communiquer sélectivement avec une source de fluide de débrayage, ce débrayage étant réalisé par l'effet de la pression du fluide provenant de la source de fluide de débrayage admis dans le carter, qui réalise la rentrée desdits pistons dans les cylindres;
- ladite deuxième vitesse de rotation est supérieure à cinq fois la plus petite des premières vitesses de rotation;
- les premier et deuxième pignons d'engrenage sont contenus dans un carter, qui est isolé de manière étanche du premier moteur à fluide sous pression;
- le diamètre du deuxième pignon d'engrenage est inférieur au diamètre du premier pignon d'engrenage;
- d'une part, des paliers de rotation sont interposés entre l'arbre mené et le bâti et réalisent le montage à rotation dudit arbre par rapport audit bâti, d'autre part, ces paliers de rotation réalisent également le montage à rotation du bloc-cylindres par rapport à la came ondulée du premier moteur à fluide sous pression;
- le premier moteur à fluide sous pression possède un carter, qui contient le bloc-cylindres et qui est partiellement constitué par une partie dudit bâti;
- l'arbre étant susceptible d'entraîner en rotation plusieurs outils différents ayant des vitesses de rotation également différentes, le premier moteur à fluide sous pression est un moteur possédant plusieurs cylindrées de fonctionnement, de manière à pouvoir entraîner l'arbre à plusieurs vitesses de rotation distinctes et ainsi à réaliser l'entraînement desdits outils à leurs différentes vitesses de rotation respectives;
- le deuxième moteur est un moteur à fluide sous pression;
- le premier moteur à fluide sous pression comporte un carter qui contient le bloc-cylindres, dans lequel ladite came est incorporée, et dont une section transversale externe, contenue dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation et intersectant la came, est susceptible d'être inscrite dans un cercle de diamètre déterminé, cependant que l'évidement constituant le passage est cylindrique et possède un diamètre interne supérieur ou égal à 0,25 fois ledit diamètre déterminé.
- the first pressurized fluid engine has a closed casing containing the cylinder block, capable of communicating selectively with a source of declutching fluid, this declutching being effected by the effect of pressure fluid coming from the source of declutching fluid admitted into the casing, which re-enters said pistons into the cylinders;
- said second speed of rotation is greater than five times the lowest of the first speeds of rotation;
- the first and second gear pinions are contained in a housing, which is sealed from the first pressurized fluid motor;
- the diameter of the second gear pinion is less than the diameter of the first gear pinion;
- on the one hand, rotational bearings are interposed between the driven shaft and the frame and perform the rotational mounting of said shaft relative to said frame, on the other hand, these rotational bearings also perform the rotational mounting of the block- cylinders with respect to the corrugated cam of the first pressurized fluid engine;
- the first pressurized fluid engine has a casing, which contains the cylinder block and which is partially constituted by a part of said frame;
- the shaft being capable of rotating several different tools having equally different rotational speeds, the first pressurized fluid motor is a motor having several operating displacements, so as to be able to drive the shaft at several rotational speeds separate and thus to carry out the driving of said tools at their respective respective rotational speeds;
- the second engine is a pressurized fluid engine;
- the first pressurized fluid engine comprises a casing which contains the cylinder block, in which said cam is incorporated, and an external cross section of which, contained in a plane perpendicular to the axis of rotation and intersecting the cam, is capable of '' be registered in a circle of determined diameter, while the recess constituting the passage is cylindrical and has an internal diameter greater than or equal to 0.25 times said determined diameter.
L'avantage principal de l'invention réside dans l'obtention d'une adaptation permanente satisfaisante du dispositif d'entraînement, aussi bien aux diverses phases de fonctionnement, qu'aux divers outils utilisés.The main advantage of the invention lies in obtaining a satisfactory permanent adaptation of the drive device, both to the various operating phases and to the various tools used.
L'invention sera mieux comprise, et des caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaîtront au cours de la description d'une réalisation donnée ci-dessous à titre d'exemple.The invention will be better understood, and secondary characteristics and their advantages will appear during the description of an embodiment given below by way of example.
Il est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif.It is understood that the description and the drawings are given for information only and are not limiting.
Il sera fait référence aux dessins annexés, dans lesquels:
- la figure 1 est une coupe axiale d'un groupe moteur conforme à l'invention; et,
- la figure 2 est le schéma d'un circuit de commande du groupe moteur de la figure 1,
- Figure 1 is an axial section of a motor unit according to the invention; and,
- FIG. 2 is the diagram of a control circuit of the engine group of FIG. 1,
L'ensemble représenté sur la figure 1 comporte un bâti 1 de fixation, par exemple sur l'infrastructure située en surface d'un puits de pétrole, un premier moteur 2, un deuxième moteur 3, un carter 4 de réducteur de vitesse, et, un arbre 5 creux d'entraînement d'un outil de forage non représenté sur la figure, relié à l'arbre 5 par un train de tiges creuses de forage, permettant la circulation des boues de forage entre l'infrastructure de surface et l'outil de forage.The assembly shown in FIG. 1 comprises a frame 1 for fixing, for example on the infrastructure located on the surface of an oil well, a
L'arbre 5 présente un évidement cylindrique intérieur 6, de diamètre D6, d'axe 7, et est monté à rotation par rapport audit bâti 1, autour de l'axe 7, au moyen de paliers 8, paliers à rouleaux coniques dans la réalisation représentée.The
Le premier moteur est un moteur hydraulique lent, à fort couple moteur, et comprend:
- un carter en trois
parties 1, 9 et 10 assemblées par des vis 11, l'une desdites parties 1 étant constituée par une partie du bâti 1; - un bloc-
cylindres 12, qui présente un alésage muni decannelures 13, traversé par l'arbre 5 et rendu solidaire duditarbre 5 au moyen decannelures 14, dont est muni l'arbre 5 et qui sont imbriquées dans lescannelures 13; - deux rangées de
cylindres 15, chacune disposée transversalement par rapport à l'axe 7 et comprenant une pluralité decylindres 15 disposés radialement par rapport à l'axe 7 et répartis angulairement autour de l'axe 7 sensiblement régulièrement; - des
pistons 16 montés coulissant dans lescylindres 15, un par cylindre, délimitant chacun dans le cylindre correspondant une chambre de travail d'un fluide 17; - une came ondulée 18, constituée par la périphérie interne de la partie intermédiaire 9 du carter, les
paliers 8 réalisant ainsi, par l'intermédiaire de l'arbre 5 et des cannelures 13-14, le montage à rotation du bloc-cylindres 12 par rapport à lacame 18; - des
rouleaux 19 montés aux extrémités despistons 16 opposées auxchambres 17, susceptibles, soit de prendre appui de réaction sur lacame 18, soit au contraire dans une configuration de "débrayage" d'être écartés de lacame 18, sous l'effet d'un fluide sous pression contenu dans l'enceinte 20 délimitée par le carter 1-9-10, chaquerouleau 19 étant monté rotatif à l'extrémité dudit piston autour d'unaxe 21 parallèle à l'axe 7; - une face de
communication 22, plane, perpendiculaire à l'axe 7, appartenant au bloc-cylindres 12, et dans laquelle débouchent, centrés sur un cercle d'axe 7, des conduits decylindre 23 reliés chacun à unechambre 17; - un distributeur interne de
fluide 24, dont une face axiale 25, constituée par une succession d'épaulements, a une forme complémentaire d'unlogement 26 ménagé dans lapartie 10 du carter, trois gorges transversales 27, 28, 29 étant ménagées dans le distributeur interne defluide 24 et débouchant dans la face axiale 25, et, respectivement, en ce qui concerne les 27, 29, dans desgorges 30, 31 ménagés dans laconduits partie 10 du carter, ces 30, 31 étant en outre raccordés à des conduits externes 32, 33;conduits - une face de
distribution 34, plane, perpendiculaire à l'axe 7, appartenant au distributeur interne defluide 24, maintenue en appui par des ressorts non visibles sur la figure 1 sur la face decommunication 22, et dans laquelle débouchent, centrés sur le même cercle que les conduits decylindres 23, des conduits de 35, 36, 37 ménagés dans le distributeur interne dedistribution fluide 24 et appartenant à trois groupes distincts de conduits, reliés respectivement aux 27, 28, 29;gorges - un dispositif de pions et d'encoches associées 38, disposé entre la
partie 10 du carter et le distributeur interne defluide 24, et permettant de légères oscillations du distributeur interne de fluide par rapport au carter tout en rendant le distributeur interne defluide 24 solidaire du carter vis-à-vis d'une rotation d'axe 7; - un
alésage 39, ménagé dans lapartie 10 du carter, dans lequel débouchent trois 40, 41, 42 reliées auxgorges 27, 28, 29 par desgorges 45, 46, 47 respectivement, alésage dans lequel est monté coulissant un tiroir 43, lui-même muni d'uneconduits gorge 44 et susceptible d'occuper une première position (représentée sur la figure 1) dans laquelle lagorge 44 met en communication lesgorges 40, 41 et isole lagorge 42 desgorges 40, 41, et, une deuxième position, dans laquelle lagorge 44 met en communication lesgorges 41, 42, et isole desditesgorges 41, 42, lagorge 40; - une chambre de pilotage 48 ménagée dans la
partie 10 du carter, avec laquelle communique une extrémité 49 du tiroir 43 formant piston de pilotage, un ressort 50 étant disposé entre lapartie 10 du carter et le tiroir 43 et tendant à rappeler le tiroir 43 vers sa première position, l'effet de la pression d'un fluide de pilotage contenu dans la chambre de pilotage 48 étant antagoniste de celui du ressort 50; - deux
conduits 51, 52 traversant la paroi de lapartie 10 du carter, et reliant la chambre de pilotage 48 et l'enceinte 20 à des conduits externes 53, 54, respectivement.
- a casing in three
1, 9 and 10 assembled by screws 11, one of said parts 1 being constituted by a part of the frame 1;parts - a
cylinder block 12, which has a bore provided withgrooves 13, traversed by theshaft 5 and made integral with saidshaft 5 by means ofgrooves 14, which is provided with theshaft 5 and which are nested in thegrooves 13; - two rows of
cylinders 15, each arranged transversely to the axis 7 and comprising a plurality ofcylinders 15 arranged radially with respect to the axis 7 and angularly distributed around the axis 7 substantially regularly; -
pistons 16 slidably mounted in thecylinders 15, one per cylinder, each delimiting in the corresponding cylinder a working chamber for afluid 17; - a
corrugated cam 18, constituted by the internal periphery of theintermediate part 9 of the casing, thebearings 8 thus realizing, by means of theshaft 5 and the grooves 13-14, the rotational mounting of thecylinder block 12 by relative tocam 18; -
rollers 19 mounted at the ends of thepistons 16 opposite thechambers 17, which are capable either of bearing reaction pressure on thecam 18 or, on the contrary, in a "declutching" configuration of being moved away from thecam 18, under the effect of a pressurized fluid contained in theenclosure 20 delimited by the casing 1-9-10, eachroller 19 being rotatably mounted at the end of said piston around anaxis 21 parallel to the axis 7; - a
communication face 22, flat, perpendicular to the axis 7, belonging to thecylinder block 12, and into which open, centered on a circle with an axis 7,cylinder conduits 23 each connected to achamber 17; - an
internal fluid distributor 24, oneaxial face 25 of which, constituted by a succession of shoulders, has a complementary shape of ahousing 26 formed inpart 10 of the casing, three 27, 28, 29 being formed in thetransverse grooves internal fluid distributor 24 and opening into theaxial face 25, and, respectively, as regards the 27, 29, ingrooves 30, 31 formed in theconduits part 10 of the casing, these 30, 31 being further connected toconduits 32, 33;external conduits - a
distribution face 34, flat, perpendicular to the axis 7, belonging to theinternal fluid distributor 24, held in abutment by springs not visible in FIG. 1 on thecommunication face 22, and into which open out, centered on the same circle as thecylinder conduits 23, 35, 36, 37 formed in thedistribution conduits internal fluid distributor 24 and belonging to three distinct groups of conduits, connected respectively to the 27, 28, 29;grooves - a device of pins and associated notches 38, disposed between the
part 10 of the casing and theinternal fluid distributor 24, and allowing slight oscillations of the internal fluid distributor relative to the casing while making theinternal fluid distributor 24 integral of the casing with respect to a rotation of axis 7; - a
bore 39, formed inpart 10 of the casing, into which three grooves open 40, 41, 42 connected to 27, 28, 29 bygrooves 45, 46, 47 respectively, bore in which a drawer 43 is slidably mounted, itself provided with aconduits groove 44 and capable of occupying a first position (shown in FIG. 1) in which thegroove 44 puts thegrooves 40, 41 into communication and isolates thegroove 42 from thegrooves 40, 41, and, a second position, in which thegroove 44 connects thegrooves 41, 42, and isolates fromsaid grooves 41, 42, thegroove 40; - a pilot chamber 48 provided in
part 10 of the casing, with which communicates an end 49 of the drawer 43 forming a pilot piston, a spring 50 being disposed between thepart 10 of the casing and the drawer 43 and tending to return the drawer 43 towards its first position, the effect of the pressure of a pilot fluid contained in the pilot chamber 48 being antagonistic to that of the spring 50; - two
conduits 51, 52 passing through the wall of thepart 10 of the casing, and connecting the pilot chamber 48 and theenclosure 20 to 53, 54, respectively.external conduits
Le premier moteur 2 est un moteur à deux cylindrées connu en lui-même, à pistons débrayables sous l'effet de la pression d'un fluide de commande du débrayage admis dans l'enceinte 20 par l'intermédiaire du conduit 54, de manière analogue à ce que décrit FR-A-2 025 354. Le premier moteur 2 pourrait, en variante, être muni d'un dispositif de débrayage de ses pistons comprenant des ressorts, comme cela est représenté dans FR-A-2 504 987. La configuration de débrayage obtenue dans tous les cas correspond à la rentrée à l'intérieur des cylindres des pistons 16, dont les chambres de travail 17 ne sont plus alimentées en fluide sous pression, les rouleaux 19 associés auxdits pistons étant alors hors d'appui de la came 18.The
Il y a encore lieu d'observer que si ce premier moteur 2 est connu dans sa constitution générale, il présente cependant la particularité suivante: le diamètre D6 de l'évidement 6 de l'arbre 5 est particulièrement important par rapport au diamètre D9, externe de la partie 9 du carter, mesuré dans un plan transversal P18 coupant la came 18. Il est notamment intéressant que D6 soit supérieur ou égal à D9 x 0,25, la réalisation représentée ne comportant cependant pas cette caractéristique avantageuse.It should also be observed that if this
Sur la partie 10 du carter du premier moteur 2 est fixé, par des vis 55, le carter 4 d'un réducteur de vitesse comprenant un grand pignon 56 et un petit pignon 57, qui engrènent mutuellement. Le carter 4 est distinct du carter 1-9-10 du premier moteur, et est isolé de l'enceinte 20 par un joint d'étanchéité 58 interposé entre l'arbre 5 et un alésage 59 de la partie 10 du carter du premier moteur traversé par l'arbre 5, et par un joint d'étanchéité 60 interposé entre la partie 10 du carter du premier moteur et le fond amovible d'extrémité 61 délimitant la chambre de pilotage 48. Un roulement à billes 62 est interposé entre l'arbre 5 et le carter 4 du réducteur de vitesse.On the
Sur ce carter 4, est fixé le carter 63 du deuxième moteur 3, qui, en l'espèce, est un moteur hydraulique "rapide". Il est avantageux d'utiliser un deuxième moteur de type hydraulique en raison de la disponibilité des éléments du circuit de commande du premier moteur hydraulique, mais en variante, ce deuxième moteur pourrait être d'un autre type, électrique par exemple.On this casing 4, the
Ce deuxième moteur 3 a un arbre de sortie moteur 64, qui est solidaire du deuxième pignon 57 par l'intermédiaire de cannelures associées 65, dont sont munies ces deux pièces. Le premier pignon 56 est lui-même solidaire de l'arbre 5, qui le traverse par l'intermédiaire de cannelures associées 66, dont sont munies ces deux pièces. Le premier pignon 56 est en outre coaxial à l'axe 7. Enfin, le deuxième moteur 3 est muni de deux raccords principaux 67, 68 d'alimentation en fluide sous pression et d'échappement de fluide, reliés à des conduits externes 69, 70, respectivement, et est muni d'un troisième raccord 71, de retour de fuites, relié à un conduit externe 72.This
Le rapport du diamètre D57 du deuxième pignon 57 au diamètre D56 du premier pignon 56 est inférieur à 1, puisqu'il s'agit d'un réducteur de vitesse, et est ici égal à 0,25 (D57/D56=0,25).The ratio of the diameter D57 of the
Le circuit de commande de la figure 2 comporte les éléments suivants:
- les premier et deuxième moteurs 2
et 3; - une pompe principale 73, réversible, à débit variable 73A;
- une pompe de pilotage 74;
- des
premier 75, deuxième 76 et troisième 77 distributeurs de fluide, couplés 78, à chacun deux positions; - un quatrième distributeur de fluide 79, également à deux positions;
un clapet 80, de maintien de pression;un clapet 81, de maintien de pression; et,- un réservoir de fluide 82; et,
le conduit 32 raccordé au premier distributeur de fluide 75;le conduit 33 raccordé au deuxième distributeur de fluide 76;le conduit 53 raccordé au quatrième distributeur de fluide 79;le conduit 54 raccordé au troisième distributeur de fluide 77;le conduit 83 d'aspiration de la pompe de pilotage 74, relié au réservoir 82;le conduit 84 de refoulement de la pompe de pilotage 74 relié au quatrième distributeur 79;un conduit 85 reliant le conduit de refoulement 84au réservoir 82, et sur lequel sont disposés le clapet 80, et, au-delà du clapet 80 par rapport au raccord duconduit 85 au conduit derefoulement 84,le clapet 81;un conduit 86raccordé au conduit 85 entre le clapet de 80 et le clapet 81;un conduit 87 reliant le troisième distributeur de fluide 77au conduit 86.un conduit 88 reliant le premier distributeur de fluide 75au conduit 86;un conduit 89 reliant le deuxième distributeur de fluide 76au conduit 88;un conduit 90 reliant le troisième distributeur de fluide au réservoir 82;un conduit 91 reliant le premier distributeur de fluide 75au conduit 90;un conduit 92 reliant le deuxième distributeur de fluide 76au conduit 91;un conduit 93 reliant le quatrième distributeur de fluide 79au conduit 92;un conduit 94 reliant l'un, 95, des raccords principaux de la pompe principale 73 au premier distributeur de fluide 75; et,un conduit 96 reliant, l'autre, 97, raccord principal de la pompe principale 73 au deuxième distributeur de fluide 76.
- the first and
2 and 3;second motors - a
main pump 73, reversible, withvariable flow 73A; - a
pilot pump 74; - first 75, second 76 and third 77 fluid distributors, coupled 78, each at two positions;
- a
fourth fluid distributor 79, also in two positions; - a
valve 80, for maintaining pressure; - a
valve 81, for maintaining pressure; and, - a
fluid reservoir 82; and,
- the
conduit 32 connected to thefirst fluid distributor 75; - the
conduit 33 connected to thesecond fluid distributor 76; - the
conduit 53 connected to thefourth fluid distributor 79; - the
conduit 54 connected to thethird fluid distributor 77; - the
suction pipe 83 of thepilot pump 74, connected to thereservoir 82; - the
discharge pipe 84 of thepilot pump 74 connected to thefourth distributor 79; - a
conduit 85 connecting thedischarge conduit 84 to thereservoir 82, and on which thevalve 80 are arranged, and, beyond thevalve 80 relative to the connection of theconduit 85 to thedischarge conduit 84, thevalve 81; - a
conduit 86 connected toconduit 85 between the valve of 80 and thevalve 81; - a
conduit 87 connecting thethird fluid distributor 77 to theconduit 86. - a
conduit 88 connecting thefirst fluid distributor 75 to theconduit 86; - a
conduit 89 connecting thesecond fluid distributor 76 to theconduit 88; - a
conduit 90 connecting the third fluid distributor to thereservoir 82; - a
conduit 91 connecting thefirst fluid distributor 75 to theconduit 90; - a
conduit 92 connecting thesecond fluid distributor 76 to theconduit 91; - a
conduit 93 connecting thefourth fluid distributor 79 to theconduit 92; - a
conduit 94 connecting one, 95, of the main connections of themain pump 73 to thefirst fluid distributor 75; and, - one
conduit 96 connecting the other, 97, main connector of themain pump 73 to thesecond fluid distributor 76.
Les premières positions respectives des premier 75, deuxième 76, et troisième 77 distributeurs de fluide correspondent:
- aux mises en communications des
conduits 32et 94, desconduits 69et 88, desconduits 33et 96, desconduits 70et 89, et desconduits 54et 90; et, - aux obturations des
91, 92conduits et 87.
- the communications of
32 and 94,conduits 69 and 88,conduits 33 and 96,conduits 70 and 89, andconduits 54 and 90; and,conduits - the closures of
91, 92 and 87.conduits
Les deuxièmes positions respectives des premier 75, deuxième 76 et troisième 77 distributeurs de fluide correspondent:
- aux mises en communications des
conduits 32et 91, desconduits 69et 94, desconduits 33et 92, desconduits 70et 96, et, desconduits 54et 87; et, - aux obturations des
88, 89, et 90.conduits
- the connections of
32 and 91,conduits 69 and 94,conduits 33 and 92,conduits 70 and 96, andconduits 54 and 87; and,conduits - to the closings of
88, 89, and 90.conduits
Les deux positions du quatrième distributeur de fluide 79 correspondent:
- la première position, à la mise en communication des
conduits 53et 93, et, à l'obturation duconduit 84; et, - la deuxième position, à la mise en communication des
conduits 53et 84, et, à l'obturation duconduit 93.
- the first position, when the
53 and 93 are placed in communication, and when theconduits conduit 84 is closed; and, - the second position, when the
53 and 84 are placed in communication, and when theconduits conduit 93 is closed.
Les valeurs numériques suivantes sont généralement admises:
- la pression de tarage du clapet 80 est égale à 20 bars;
- la pression de tarage du clapet 81 est égale à 2 bars;
- les deux vitesses de rotation du
premier moteur hydraulique 2 sont égales à 70 et 140 tours par minute; - la vitesse de rotation de l'arbre de sortie moteur 64 du deuxième moteur 3 est égale à 2000 tours par minute.
- the setting pressure of the
valve 80 is equal to 20 bars; - the setting pressure of the
valve 81 is equal to 2 bars; - the two rotational speeds of the first
hydraulic motor 2 are equal to 70 and 140 revolutions per minute; - the speed of rotation of the
motor output shaft 64 of thesecond motor 3 is equal to 2000 revolutions per minute.
En variante, le premier moteur 2 pourrait comporter trois cylindrées distinctes, et donc trois vitesses de rotation, telles que 70, 140 et 210 tours par minute.As a variant, the
Il convient encore d'observer qu'avec le premier moteur 2 à deux vitesses et le deuxième moteur rapide définis ci-avant, les vitesses de rotation de l'arbre 5 ont les valeurs suivantes:
- des premières vitesses de rotation, respectivement égales à V11 = 70 et V12 = 140 tours par minute, et,
- une deuxième vitesse de rotation égale à V2 = 500 tours par minute.
- first rotational speeds, respectively equal to V11 = 70 and V12 = 140 revolutions per minute, and,
- a second rotational speed equal to V2 = 500 revolutions per minute.
Ainsi, le rapport V2/V11 de la deuxième vitesse V2 à la plus petite des premières vitesses est
Le fonctionnement obtenu est exposé brièvement ci-après.The operation obtained is briefly described below.
Le quatrième distributeur de fluide 79 permet de sélectionner la cylindrée du premier moteur 2 (le nombre de chambres de travail 17 alimentées périodiquement en fluide sous pression) et permet de placer le tiroir 43 dans sa première ou dans sa deuxième position. Ayant choisi l'une des positions de ce quatrième distributeur de fluide, est choisie aussi la vitesse de rotation du premier moteur 2 correspondant à la cylindrée sélectionnée.The
La mise en place des premier 75, deuxième 76 et troisième 77 distributeurs de fluide dans leurs premières positions respectives permet:
- de faire communiquer l'enceinte 20 avec le réservoir sans
pression 82, par lesconduits 54et 90, et, donc de placer tous lespistons 16 dans leur configuration "d'embrayage" dans laquelle tous les rouleaux 19 sont en appui sur la came 18; - de relier l'alimentation du deuxième moteur 3 à l'échappement dudit moteur, par les conduits 88-69-70
et 89, et, donc de laisser ce moteur libre de tourner sans produire de couple moteur; et, - d'alimenter le
premier moteur 2 par la pompe principale 73 et les conduits 94-32 et 33-96, et, ainsi, d'entraîner enrotation l'arbre 5 à la vitesse de rotation sélectionnée du premier moteur.
- to make the
enclosure 20 communicate with thepressureless tank 82, by the 54 and 90, and therefore place all theconduits pistons 16 in their "clutch" configuration in which all therollers 19 are supported on thecam 18; - to connect the supply of the
second engine 3 to the exhaust of said engine, via the conduits 88-69-70 and 89, and therefore to leave this engine free to rotate without producing engine torque; and, - to supply the
first motor 2 by themain pump 73 and the conduits 94-32 and 33-96, and thus to rotate theshaft 5 at the selected speed of rotation of the first motor.
L'arbre 5, et le train de tiges de forage qui y est attelé, entraîne un outil de forage pendant la phase de pénétration de l'outil dans le sol. Pour un autre outil de forage, il sera peut-être opportun de sélectionner une autre vitesse de rotation de l'arbre 5, ce que rend possible la sélection de la cylindrée de fonctionnement du premier moteur 2 par l'intermédiaire du quatrième distributeur 79.The
Mais il faut aussi pour percer des roches très dures pouvoir entraîner des outils particuliers comme des couronnes diamantées qui demandent pour être efficaces des vitesses de rotation beaucoup plus élevées. En effet, elles pénètrent le rocher par abrasion et non par taillage. Pendant cette phase de fonctionnement, l'effort de pénétration devenant faible, il est utile de choisir une vitesse de rotation très supérieure à la précédente. Pour ce faire, les premier 75, deuxième 76 et troisième 77 distributeurs de fluide sont placés dans leurs deuxièmes positions respectives, qui permettent:
- de faire communiquer l'enceinte 20 du carter du premier moteur avec la pression du fluide retenu par le clapet de retenue 81, par l'intermédiaire des conduits 86-87
et 54, et ainsi de placer lespistons 16 dans leur configuration de "débrayage", dans laquelle les rouleaux 19 sont hors d'appui de la came 18; - de relier l'alimentation du deuxième moteur 3 au raccord
principal 95 de la pompe principale 73 par les conduits 94-69 et l'échappement du même moteur au raccordprincipal 97 de la même pompe principale par les conduits 70-96, et ainsi, d'entraîner enrotation l'arbre 5 et le train de tiges de forage qui y est attelé par l'intermédiaire du deuxième moteur 3, et des pignons 57et 56; et, - de relier les deux raccords principaux du
premier moteur 2au réservoir 82 par les conduits 32-91-90 d'une part, et par les conduits 33-92-91-90, d'autre part.
- to make the
enclosure 20 of the casing of the first engine communicate with the pressure of the fluid retained by thecheck valve 81, via the conduits 86-87 and 54, and thus to place thepistons 16 in their "disengaging" configuration ", wherein therollers 19 are out of support of thecam 18; - to connect the supply of the
second motor 3 to themain connector 95 of themain pump 73 by the conduits 94-69 and the exhaust of the same engine to themain connector 97 of the same main pump by the conduits 70-96, and thus, to rotate theshaft 5 and the drill string which is coupled thereto via thesecond motor 3, and the 57 and 56; and,pinions - to connect the two main connections of the
first motor 2 to thetank 82 by the conduits 32-91-90 on the one hand, and by the conduits 33-92-91-90, on the other hand.
La sélection de la vitesse de rotation du premier moteur 2 est réalisée en fonction de la nature du terrain et de sa réaction à l'outil de forage. Avec un moteur à deux vitesses de rotation (70 et 140 tours par minute par exemple), pourront être entraînés des outils de forage d'un premier type, dont les vitesses spécifiques pour des terrains durs ou tendres sont égales ou proches des deux vitesses du premier moteur. La sélection de la vitesse de rotation du deuxième moteur 3 correspond à l'utilisation d'un outil d'un deuxième type dont la vitesse spécifique est bien supérieure à celles de l'outil du premier type. Il est en outre observé que le réglage (73A) du débit refoulé par la pompe principale 73 permet un réglage supplémentaire des vitesses de rotation des moteurs 2 et 3.The selection of the speed of rotation of the
Ainsi le groupe moteur entraîne l'arbre 5 à la vitesse de rotation toujours adaptée à l'outil de forage utilisé et à la phase de fonctionnement choisie.Thus the motor unit drives the
Il doit enfin être noté que l'arbre 5 étant creux permet la circulation des boues de forage, la dimension D6 de l'évidement 6 rendant cette circulation exempte de restriction.Finally, it should be noted that the
Claims (10)
- Drive unit comprising: a frame (1), a driven shaft (5) mounted to rotate with respect to the frame about an axis of rotation (7); a first pressurized fluid motor (2) presenting a lobed cam (18) fixed with respect to said frame; a cylinder block (12) fast, with respect to rotation, with said driven shaft (5); a plurality of cylinders (15) arranged in the cylinder block and disposed radially with respect to the axis of rotation; a plurality of pistons (16) mounted to slide in the cylinders and capable of abutting by reaction on said cam; the shaft (5) being capable of being driven by the first motor (2) at at least one first speed of rotation and presenting a recess (6) which constitutes a passage which, in one configuration of the coupling in rotation of a drilling tool to said shaft (5), conveys the drilling fluid to the drilling tool; and, the cylinder block (12) of said first motor being coaxial to the axis of rotation (7) and is disposed about said shaft (5);
characterized in that:A) this drive unit comprises a second motor (3) which is coupled in rotation to said shaft and which is capable of driving this shaft at a second speed of rotation (V2) substantially higher than said first speed of rotation (V11; V12) ;B) a first pinion gear (56) is fast (66), with respect to rotation, with the shaft (5), surrounds said shaft and is coaxial to the axis of rotation (7);C) the second motor (3) presents an output shaft (64) with which is fast in rotation a second pinion gear (57) which meshes with said first pinion gear (56);D) the first pressurized fluid motor is of the "disengageable piston" type and, to that end, is provided with a disengagement mechanism (54) capable of controlling withdrawal of said pistons out of abutment on the lobed cam (18). - Drive unit according to claim 1,
characterized in that the first pressurized fluid motor presents a closed housing (1-9-10) containing the cylinder block (12), capable of selectively communicating (77) with a source (86) of disengaging fluid, such disengagement being effected by the effect of the pressure of the fluid coming from the source of disengaging fluid admitted into the housing, which effects entry of said pistons in the cylinders. - Drive unit according to any one of claims 1 to 2,
characterized in that said second speed of rotation (V2) is higher than five times the smallest (V1) of the first speeds of rotation. - Drive unit according to any one of claims 1 to 3,
characterized in that the first (56) and second (57) pinion gears are contained in a housing (4), which is hermetically (58-60) isolated from the first pressurized fluid motor. - Drive unit according to any one of claims 1 to 4,
characterized in that the diameter (D57) of the second pinion gear (57) is smaller than the diameter (D56) of the first pinion gear (56). - Drive unit according to any one of claims 1 to 5,
characterized in that, on the one hand, rotational bearings (8) are interposed between the driven shaft (5) and the frame (1) and effect rotational assembly of said shaft with respect to said frame, on the other hand, these rotational bearings (8) also effect rotational assembly of the cylinder block (12) with respect to the lobed cam (18) of the first pressurized fluid motor (2). - Drive unit according to any one of claims 1 to 6,
characterized in that the first pressurized fluid motor presents a housing (1-9-10) which contains the cylinder block (12) and which is partially constituted by a part of said frame (1). - Drive unit according to any one of claims 1 to 7,
characterized in that the shaft (5) being capable of driving in rotation a plurality of different tools having likewise different speeds of rotation (V11; V12), the first pressurized fluid motor is a motor presenting a plurality of operational cubic capacities, so as to be able to drive the shaft (5) at several distinct speeds of rotation and thus drive said tools at their respective different speeds of rotation. - Drive unit according to any one of claims 1 to 8,
characterized in that the second motor (3) is a pressurized fluid motor. - Drive unit according to any one of claims 1 to 9,
characterized in that the first pressurized fluid motor (2) comprises a housing (1-9-10) which contains the cylinder block (12), in which said cam (18) is incorporated and whose outer transverse section, contained in a plane (P18) perpendicular to the axis of rotation (7) and intersecting the cam (18), is capable of being inscribed in a circle of determined diameter (D9), whilst the recess (6) constituting the passage is cylindrical and presents an inner diameter (D6) greater than or equal to 0.25 times said determined diameter (D9).
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