EP2620584A1 - Frein hydraulique pour trépan - Google Patents

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EP2620584A1
EP2620584A1 EP13150755.0A EP13150755A EP2620584A1 EP 2620584 A1 EP2620584 A1 EP 2620584A1 EP 13150755 A EP13150755 A EP 13150755A EP 2620584 A1 EP2620584 A1 EP 2620584A1
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EP
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pump
hydraulic
toothed wheel
drill bit
bit according
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Withdrawn
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EP13150755.0A
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German (de)
English (en)
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Louis-Claude Porel
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Hydro Leduc SAS
Original Assignee
Hydro Leduc SAS
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/064—Deflecting the direction of boreholes specially adapted drill bits therefor
    • 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
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    • E21B10/08—Roller bits
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
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    • E21B10/08—Roller bits
    • E21B10/22—Roller bits characterised by bearing, lubrication or sealing details
    • E21B10/24—Roller bits characterised by bearing, lubrication or sealing details characterised by lubricating details
    • E21B10/246—Roller bits characterised by bearing, lubrication or sealing details characterised by lubricating details with pumping means for feeding lubricant

Definitions

  • the present invention relates to drilling tools for the extraction of fossil products such as crude oil or gas.
  • a drilling tool is constituted by a tube terminated by a drill head, which consists of conical wheels, provided with teeth which are mounted free in rotation, their penetration effect being provided by the torque of rotation printed on the tube. who carries the drill head.
  • the drill head has three conically shaped toothed wheels also called trephine.
  • Such a tool is intended to perform vertical drilling. However, it is increasingly necessary to modify and control the direction of drilling. This is used to do complex techniques of expensive implementation.
  • the present invention aims to solve this problem.
  • the basic idea of the invention consists in using at least one bit wheel, free in rotation, as a driving element for a hydraulic pump, delivering on a circuit comprising a controlled dispenser for occupying either an open position or a closed position; such that, in the open position, the pump rotates freely without absorbing energy and, in the closed position, locks the rotation of the gearwheel up to the maximum torque of the gearwheel at the pump.
  • the invention provides a method of controlling a gear wheel of a drill bit, wherein the gear wheel of said bit is used as a drive element of a pumping hydraulic pump in a closed loop hydraulic circuit, said circuit comprising a controlled shutter member, the method comprising the steps of: controlling the shutter member in a forward direction to eliminate the hydraulic braking force exerted on the toothed wheel, and controlling the shutter member in a blocking direction to increase, in particular create, the hydraulic braking force exerted on the toothed wheel.
  • the method comprises alternating braking phases of the toothed wheel with release phases of the toothed wheel.
  • the invention also provides a drill bit comprising a drill pipe, three toothed wheels pivotally mounted on said drill pipe and at least three hydraulic brakes arranged in the drill pipe, wherein the hydraulic brake comprises in each case a closed loop hydraulic circuit, a hydraulic pump arranged in the closed-loop hydraulic circuit for sucking a hydraulic fluid in a first portion of the hydraulic circuit and discharging the hydraulic fluid in a second portion of the hydraulic circuit and a controlled shutter member arranged in the closed loop hydraulic circuit between the first portion and the second portion, the hydraulic pump comprising a rotary pumping member coupled with one of said gears to rotate integrally with said gear.
  • This wheel is constituted by a conical body 1, whose surface is provided with teeth 2; said conical body being threaded onto a cylindrical support 3 which penetrates into a corresponding cylindrical bore 4.
  • a ball bearing 5 allows the conical body 1 to rotate freely on its support 3, when the drill pipe which carries the gear wheels is actuated in rotation.
  • the type of toothed wheel 2, widely known, has no means of braking or immobilization.
  • the conical wheel 1 provided with teeth 2 drives, by any suitable means which will be described hereinafter, a pump P, the discharge 6 of which is connected to its suction 8 by a circuit 7. Downstream of the outlet 6, the circuit 7 comprises a distributor 9 which can occupy two positions: an open position (shown) and a closed position.
  • a reservoir of hydraulic fluid 19 is connected to the circuit 7 upstream of the pump P to compensate for losses of fluid.
  • This reservoir is urged by an elastic member in the manner of a pressure accumulator to maintain a pressure in the circuit 7, for example about 2 bar and provide pressure compensation with the pressure prevailing in the well at the location where the trepan.
  • the Figure 4 illustrates a first embodiment of the method according to the invention.
  • the cylindrical support 3 of the toothed wheel 1 is provided, according to its axis of rotation, with an axial cylindrical bore 13 in which is fitted a shaft 12, carrying a bias plate 11 which can rotate in a cylindrical chamber 10, formed in the cylindrical support 3.
  • the shaft 12 is secured in rotation with the toothed wheel 1 by a key 14 or other rotational connection modes.
  • a plurality of hollow pistons 15, coaxial with the shaft 13, are supported by means of studs 16 against the side of the bias plate 11 and are supplied with hydraulic fluid, which reigns in the chamber 10, by the etched suction lip on the bias side of the board 11
  • the rotary movement of the toothed wheel 1 causes the bias plate 11, which drives the hollow pistons 15 to reciprocate the hydraulic liquid in the chamber 10 inside which the plate 11 rotates, to rotate. .
  • the pumped liquid is discharged through the outlet 6 and returns to the pump via the inlet 8.
  • the distributor 9 When the distributor 9 is electrically controlled, for example a solenoid valve, it is very easy to program sequentially the openings / closures and thus the stop / rotation phases of the toothed wheel 1.
  • the three toothed wheels 1 of a drill head are thus equipped.
  • the pump described in the present invention is an axial piston pump, it would be possible, depending on the space available, to house a radial piston pump.
  • any blocking, or braking, of the flow rate of the pump P by means of the distributor 9 causes blocking or braking of the toothed wheel 1 and this whatever the pump P.
  • the hydraulic pump In the closed position of the distributor, the hydraulic pump will provide a braking torque proportional to the displacement of the pump and to the internal pressure generated by the pump, thanks to the friction torque printed at the pump by the input wheel of the bit. .
  • the ground / tool connection can be made inside the tube carrying the drill bit.
  • the surface operator can through a control program opening-closing of the distributor, stop or release the drill gears.

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Abstract

Procédé de blocage/freinage d'au moins une roue conique d'entrée d'un trépan d'un outil de forage consistant à utiliser au moins une roue dentée (1) dudit trépan comme élément d'entraînement d'une pompe hydraulique (P) pompant en circuit fermé (17) ledit circuit comportant un distributeur (9) commandé pour occuper soit une position ouverte soit une position fermée ; de telle sort que, en position ouverte, la pompe tourne librement sans absorber d'énergie, et que, en position fermée ladite pompe (P) soit hydrauliquement bloquée, ce qui bloque la rotation de la roue dentée (1).

Description

  • La présente invention est relative aux outils de forage pour l'extraction de produits fossiles tels que pétrole brut ou gaz.
  • De manière connue un outil de forage est constitué par un tube terminé par une tête de forage, laquelle est constituée de roues coniques, munies de dents qui sont montées libres en rotation, leur effet de pénétration étant fourni par le couple de rotation imprimé au tube qui porte la tête de forage. D'une façon usuelle la tête de forage comporte trois roues dentées de forme conique aussi appelée trépan.
  • Un tel outil est destiné à effectuer des forages verticaux. Il est cependant de plus en plus souvent nécessaire de modifier et de contrôler la direction du forage. On emploie pour faire cela des techniques complexes d'une mise en oeuvre coûteuse.
  • Il a été mis en évidence qu'il est possible de diriger un forage en utilisant un outil de forage classique si l'on sait arrêter la rotation libre des roues dentées de l'outil et cela pour les trois roues et de façon pilotée par le foreur.
  • Or, cette technique n'a pas pu, jusqu'à présent, être mise en oeuvre de façon satisfaisante, car elle se heurte à de nombreuses difficultés à savoir : le manque de place disponible dans la tête de forage : les températures élevées ; la présence de boues et de chocs éventuels ; ce à quoi il faut ajouter, d'une part, la nécessité de fournir un couple important pour arrêter une roue de forage, et d'autre part, la nécessité d'avoir une fréquence des phases de freinage élevée.
  • La présente invention a pour objet de résoudre ce problème.
  • L'idée à la base de l'invention consiste à utiliser au moins une roue du trépan, libre en rotation, comme élément d'entraînement d'une pompe hydraulique, débitant sur un circuit comportant un distributeur commandé pour occuper soit une position ouverte soit une position fermée ; de telle sorte que, en position ouverte, la pompe tourne librement sans absorber d'énergie et que, en position fermée, elle bloque la rotation de la roue dentée à concurrence du couple maxi imprimé par la roue dentée à la pompe.
  • Pour cela, selon un mode de réalisation, l'invention fournit un procédé de contrôle d'une roue dentée d'un trépan de forage, dans lequel la roue dentée dudit trépan est utilisée comme élément d'entraînement d'une pompe hydraulique pompant dans un circuit hydraulique en boucle fermée ledit circuit comportant un organe d'obturation commandé , le procédé comportant les étapes de : commander l'organe d'obturation dans un sens passant pour éliminer la force de freinage hydraulique exercée sur la roue dentée , et
    commander l'organe d'obturation dans un sens bloquant pour augmenter, notamment créer, la force de freinage hydraulique exercée sur la roue dentée .
  • Selon un mode de réalisation du procédé dans lequel le trépan de forage est mis en rotation, le procédé comporte des phases de freinage de la roue dentée alternées avec des phases de relâchement de la roue dentée.
  • L'invention fournit aussi un trépan de forage comportant un tube de forage, trois roues dentées montées de manière pivotante sur ledit tube de forage et au moins trois freins hydrauliques agencés dans le tube de forage, dans lequel le frein hydraulique comporte à chaque fois un circuit hydraulique en boucle fermée, une pompe hydraulique agencée dans le circuit hydraulique en boucle fermée pour aspirer un fluide hydraulique dans une première portion du circuit hydraulique et refouler le fluide hydraulique dans une deuxième portion du circuit hydraulique et un organe d'obturation commandé agencé dans le circuit hydraulique en boucle fermée entre la première portion et la deuxième portion, la pompe hydraulique comportant un organe de pompage rotatif couplé avec une desdites roues dentées pour tourner solidairement avec ladite roue dentée.
  • La présente invention peut, en outre, comporter tout ou partie des dispositions suivantes.
    1. a) la pompe est une pompe à pistons axiaux entrainés par un plateau biais, le plateau biais formant l'organe de pompage rotatif de la pompe et comportant un arbre solidaire de la roue dentée.
    2. b) l'arbre du plateau biais est emmanché dans un alésage axial ménagé dans un support cylindrique de la roue dentée.
    3. c) la pompe est une pompe à pistons radiaux entraînés par une came solidaire de la roue dentée.
    4. d) la pompe est une pompe à engrenages en cas de faibles couples.
    5. e) la pompe est une pompe à palettes ou tout générateur de débit susceptible de répondre au besoin de freiner la roue dentée et susceptible de supporter des marche/arrêt brutaux et répétés.
    6. f) l'organe d'obturation est commandé de manière mécanique, électrique ou autre
    7. g) l'organe d'obturation comporte un distributeur présentant un état passant par défaut.
    8. h) le frein hydraulique comporte un réservoir de fluide hydraulique pressurisé et compensé pour tenir compte de la pression extérieure dans la zone où se situe le forage.
  • A titre d'exemple non limitatif et pour faciliter la compréhension de l'invention, on a représenté aux dessins annexés.
    • Figure 1 - Une vue en perspective illustrant un trépan de type connu comportant trois roues coniques munies de dents.
    • Figure 2 - Une vue en coupe d'une des roues dentées de la Figure 1.
    • Figure 3 - Une vue schématique illustrant une mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
    • Figure 4 - Une vue en coupe illustrant la roue dentée de la Figure 2 modifiée pour être associée à une pompe axiale à plateau biais.
    • La Figure 1 illustre une tête de forage ou trépan, de type connu, comportant trois roues dentées coniques montées sur un corps 20. La Figure 2 est une vue en coupe d'une des trois roues dentées de la Figure 1.
  • Cette roue est constituée par un corps conique 1, dont la surface est munie de dents 2 ; ledit corps conique étant enfilé sur un support cylindrique 3 qui pénètre dans un alésage cylindrique correspondant 4. Un roulement à billes 5 permet au corps conique 1 de tourner librement sur son support 3, lorsque le tube de forage qui porte les roues dentées est actionné en rotation. Le type de roue dentée 2, largement connu, ne comporte aucun moyen de freinage ou d'immobilisation.
  • Le procédé selon l'invention est illustré par le dessin schématique de la Figure 3.
  • La roue conique 1, munie de dents 2 entraîne, par tout moyen approprié qui sera décrit ci-après, une pompe P, dont le refoulement 6 est relié à son aspiration 8 par un circuit 7. En aval de la sortie 6, le circuit 7 comporte un distributeur 9 qui peut occuper deux positions : une position ouverte (représentée) et une position fermée.
  • Lorsque le distributeur 9 est en position ouverte, la pompe P tourne librement sans offrir de résistance à la rotation de la roue dentée 1.
  • En revanche, lorsque le distributeur 9 est en position fermée, plus aucune circulation de liquide hydraulique n'est possible dans le circuit 7 et la pompe P est bloquée en rotation. Comme elle est mécaniquement liée à la roue dentée 1, celle-ci est également bloquée en rotation à concurrence du couple permis par la pompe P.
  • On voit qu'il est ainsi possible, en agissant sur le distributeur 9 de bloquer et débloquer à volonté la roue dentée 1. Un réservoir de fluide hydraulique 19 est relié au circuit 7 en amont de la pompe P pour compenser les pertes de fluide. Ce réservoir est sollicité par un organe élastique à la manière d'un accumulateur de pression pour maintenir une pression dans le circuit 7, par exemple environ 2 bar et assurer la compensation de pression avec la pression régnant dans le puits au lieu où se trouve le trépan.
  • La Figure 4 illustre un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
  • Le support cylindrique 3 de la roue dentée 1 est muni, selon son axe de rotation, d'un alésage cylindrique axial 13 dans lequel est emmanché un arbre 12, portant un plateau biais 11 qui peut tourner dans une chambre cylindrique 10, ménagée dans le support cylindrique 3. L'arbre 12 est rendu solidaire en rotation de la roue dentée 1 par une clavette 14 ou autres modes de liaison en rotation.
  • Une pluralité de pistons creux 15, coaxiaux à l'arbre 13, prennent appui par l'intermédiaire de plots 16 contre la face du plateau biais 11 et sont alimentés en liquide hydraulique, régnant dans la chambre 10, par la lunule d'aspiration gravée sur la face du plateau biais 11
  • Cette distribution de pistons axiaux creux 15 reposant par des plots 16 contre la face d'un plateau biais et alimentés par une lunule sur la face dudit plateau étant connue et commercialisée depuis de très nombreuses années par le demandeur ne sera pas décrite en détail.
  • Le mouvement rotatif de la roue dentée 1, , entraine en rotation le plateau biais 11, qui anime les pistons creux 15 d'un mouvement alternatif de pompage du liquide hydraulique se trouvant dans la chambre 10 à l'intérieur de laquelle tourne le plateau 11.
  • Le liquide pompé est évacué par la sortie 6 et revient dans la pompe par l'entrée 8.
  • Comme cela a été expliquée précédemment en liaison avec la Figure 3, lorsque le distributeur 9 est ouvert la pompe constituée par le plateau biais 11 et les pistons 15 pompe le liquide qui circule librement dans le circuit 7 lorsque la roue dentée 1 tourne.
  • En revanche, lorsque le distributeur 9 est position fermée, plus aucune circulation de liquide hydraulique n'est possible : il en résulte que le plateau biais 11 ne peut plus tourner, donc que l'arbre 13 qui le porte ne peut plus tourner ce qui immobilise la roue dentée 1 qui est clavelée sur l'arbre 13 de la pompe.
  • Lorsque le distributeur 9 est à commande électrique, par exemple une électrovanne, il est très facile d'en programmer de façon séquentielle les ouvertures/fermetures et donc les phases d'arrêt/rotation de la roue dentée 1.
  • De préférence, les trois roues dentées 1 d'une tête de forage sont ainsi équipées.
  • La pompe décrite dans la présente invention est une pompe à pistons axiaux, il serait éventuellement possible selon l'espace disponible de loger une pompe à pistons radiaux.
  • Selon le couple à fournir, d'autres technologies de pompes pourraient être retenues telles, par exemple, que pompes à palettes, à engrenages ou autres générateurs de débit.
  • On comprend que si le moyen d'entraînement de la pompe P est solidaire de la roue dentée 1, tout blocage, ou freinage, du débit de la pompe P au moyen du distributeur 9 provoque un blocage ou freinage de la roue dentée 1 et cela quelle que soit la pompe P.
  • En position fermée du distributeur, la pompe hydraulique va fournir un couple de freinage proportionnel à la cylindrée de la pompe et à la pression interne générée par la pompe, grâce au couple de frottement imprimé, à la pompe par la roue d'entrée du trépan.
  • La liaison sol/outil pourra être effectuée à l'intérieur du tube qui porte l'outil de forage. Ainsi, l'opérateur en surface pourra grâce à un programme de commande des ouverture-fermeture du distributeur, arrêter ou libérer les roues dentées de forage.
  • Dans un mode de réalisation, lorsque le couple de rotation fourni par la rotation de la route dentée est supérieur au couple fourni par la pompe, celle-ci patinera, c'est-à-dire que les patins au moyen desquels les pistons sont en appui contre le plateau biais 11, glisseront.
    • Exemple
  • Sur un trépan utilisé dans un forage en activité, on a disposé une pompe ayant une cylindrée de 8 cm3 ; la roue du trépan tournant entre 200 à 400 t/min en moyenne.
  • Pour cela, on a calibré les différents composants de la pompe afin qu'elle puisse fournir une pression instantanée de 2000 bar à 200 t/min.

Claims (11)

  1. Procédé de contrôle d'une roue dentée d'un trépan de forage, dans lequel la roue dentée (1) dudit trépan est utilisée comme élément d'entraînement d'une pompe hydraulique (P) pompant dans un circuit hydraulique en boucle fermée (7), ledit circuit comportant un organe d'obturation commandé (9), le procédé comportant les étapes de :
    - commander l'organe d'obturation dans un sens passant pour supprimer la force de freinage hydraulique exercée sur la roue dentée (1), et-
    - commander l'organe d'obturation dans un sens bloquant pour augmenter la force de freinage hydraulique exercée sur la roue dentée (1).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le trépan de forage est mis en rotation, le procédé comportant des phases de freinage de la roue dentée alternées avec des phases de relâchement de la roue dentée.
  3. Trépan de forage comportant un tube de forage (20), trois roues dentées (1) montées de manière pivotante sur ledit tube de forage et au moins trois freins hydrauliques agencés dans le tube de forage (20), dans lequel le frein hydraulique comporte à chaque fois un circuit hydraulique en boucle fermée (7), une pompe hydraulique (P) agencée dans le circuit hydraulique en boucle fermée pour aspirer un fluide hydraulique dans une première portion (8) du circuit hydraulique et refouler le fluide hydraulique dans une deuxième portion (6) du circuit hydraulique et un organe d'obturation commandé (9) agencé dans le circuit hydraulique en boucle fermée entre la première portion et la deuxième portion, la pompe hydraulique (P) comportant un organe de pompage rotatif couplé avec une desdites roues dentées (1) pour tourner solidairement avec ladite roue dentée.
  4. Trépan de forage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la pompe (P) est une pompe à pistons axiaux (15) entrainés par un plateau biais (11), le plateau biais formant l'organe de pompage rotatif de la pompe et comportant un arbre (13) solidaire de la roue dentée (1).
  5. Trépan de forage selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'arbre (13) du plateau biais (11) est emmanché dans un alésage axial (14) ménagé dans un support cylindrique (3) de la roue dentée (1).
  6. Trépan de forage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la pompe (P) est une pompe à pistons radiaux entraînés par une came solidaire de la roue dentée (1).
  7. Trépan de forage selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la pompe (P) est une pompe à engrenages ou autre générateur de débit.
  8. Trépan de forage selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé par le fait que l'organe d'obturation (9) est commandé de manière mécanique électrique.
  9. Trépan de forage selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé par le fait que l'organe d'obturation (9) comporte un distributeur présentant un état passant par défaut.
  10. Trépan de forage selon l'une des revendications 3 à 9, dans lequel le frein hydraulique comporte un réservoir de fluide hydraulique pressurisé et compensé en pression (19) connecté à la première portion (8) du circuit hydraulique (7).
  11. Trépan de forage selon l'une des revendications 3 à 10, comportant trois roues dentées et trois freins hydrauliques pour freiner indépendamment la rotation de chacune desdites roues dentées.
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