FR2472706A1 - Joint d'etancheite pour appareil de forage en fond de puits - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN JOINT D'ETANCHEITE AUX FLUIDES POUR APPAREIL DE FORAGE EN FOND DE PUITS. CE JOINT COMPORTE UNE RONDELLE 101 DE BUTEE AXIALE A UNE BAGUE 102 DE RETENUE, UNE GARNITURE ROTATIVE 105 PLACEE AU-DESSUS DE LA BAGUE 102 DE LAQUELLE ELLE TEND A ETRE ELOIGNEE PAR DES RESSORTS 104 ET UNE GARNITURE FIXE 106 QUI EST FIXEE AU CORPS DANS LEQUEL TOURNE UN ARBRE DE COMMANDE. LES GARNITURES 105 ET 106 SONT REALISEES EN METAL ET MAINTENUES EN CONTACT FACE CONTRE FACE PAR LES RESSORTS 104 AFIN D'ASSURER L'ETANCHEITE SOUS UNE TRES FAIBLE PRESSION. DOMAINE D'APPLICATION: FORAGE DE PUITS DE PETROLE ET DE GAZ.

Description

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L'invention concerne des joints d'étanchéité aux fluides du type à surfaces d'étanchéité en contact face

contre face.

Des moteurs de forage en fond de puits, du type volumétrique, comportant un dispositif à rotor et stator du type "Moineau", décrit et représenté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 1 892 217, sont bien connus. Le rotor des moteurs de forage de l'art antérieur comporte un lobe qui travaille avec un stator complémentaire à deux lobes, réalisé en caoutchouc ou en élastomère correspondant, le rotor étant lui-même une pièce pleine en acier. Le rotor participe à un mouvement excentrique ou orbital se produisant

autour de l'axe du stator et engendrant des vibrations exces-

sives qui résultent de la vitesse du mouvement orbital du

rotor, combinée à sa masse relativement élevée due à sa cons-

truction pleine, ce qui a pour effet de diminuer la durée de

vie du rotor et des pièces du moteur qui lui sont associées.

Le poids de l'appareil à moteur antérieur, uti-

lisé pour le forage, est transmis par un palier à l'arbre du moteur, ce palier étant lubrifié par la boue de forage ou tout autre fluide refoulé vers le bas dans le train de tiges de forage et dans le moteur lui-même. Etant donné que la boue

de forage est très souvent chargée de sable, les paliers tra-

vaillent dans un liquide abrasif, de sorte que leur durée de vie est relativement courte, ce qui limite le temps pendant lequel le moteur peut être utilisé pour forer un trou avec,

pour conséquence, la nécessité de retirer l'ensemble de l'ap-

pareil du trou et de remplacer un nombre important des pièces de cet appareil ou, à cet effet, de remplacer l'ensemble de

l'appareil à moteur. Etant donné qu'un rotor plein est uti-

lisé, une vanne de décharge est montée dans le train de tiges de forage, au-dessus du moteur, afin de permettre au fluide de forage de remplir le train de tiges lorsque l'appareil est

descendu dans le trou, et de s'écouler du train de tiges pen-

dant que l'appareil est retiré du trou.

L'utilisation d'un rotor à un seul lobe a pour résultat de faire travailler le rotor, l'arbre de commande et

le trépan qui lui est relié à une vitesse relativement éle-

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vée, le moteur pouvant produire un couple maximal bas. Cette

vitesse élevée réduit considérablement la durée pendant la-

quelle le trépan peut forer, raccourcit la durée de vie des

paliers et accroît les difficultés dues aux vibrations men-

tionnées précédemment. Avec un rotor à un seul lobe, seule une pression différentielle limitée peut être utilisée pour empêcher une fuite excessive de fluide entre le rotor et le stator pendant le mdovement orbital du rotor autour de l'axe

du stator avec, pour conséquence, une diminution de la puis-

sance développée par le moteur de forage.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 3 840 080 décrit un moteur de forage en fond de puits comportant un

rotor à plusieurs lobes qui coopère avec un stator complémen-

taire à plusieurs lobes. Dans un appareil du type Moineau, le

stator comporte un lobe de plus que le rotor.

Dans un moteur de forage comportant un rotor à

plusieurs lobes, la pression différentielle pouvant être uti-

lisée sans que les fuites de fluide atteignent un taux indé-

sirable est très supérieure à celle pouvant être utilisée

avec un rotor à un seul lobe. Par conséquent, pour une pres-

sion différentielle donnée, une plus grande force de forage peut être appliquée au trépan ou, inversement, une force de forage donnée peut être appliquée au trépan avec une moindre chute de pression dans le moteur de forage. Etant donné que

le couple développé pour une pression donnée est très supé-

rieur à celui obtenu dans les moteurs de forage antérieurs et étant donné la possibilité d'appliquer aux moteurs une plus

grande pression différentielle, la combinaison de ces fac-

teurs résulte dans la possibilité pour le moteur de produire un couple bien plus élevé que celui pouvant être obtenu avec

les moteurs de forage antérieurs.

A titre d'exemple, étant donné que le couple pro-

duit pour une pression différentielle donnée, dans cet appa-

reil, est égal à environ 1,75 fois celui développé par les appareils antérieurs, le moteur pouvant fonctionner sous une pression différentielle égale environ au double de celle des appareils antérieurs, il peut produire un couple égal à au

moins 3,5 fois le couple des appareils antérieurs. Par consé-

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quent, pendant le forage, cet appareil peut travailler sous une force de forage, appliquée au trépan, égale à environ

3,5 fois la force de forage utilisée dans l'art antérieur.

En outre, le moteur peut produire un couple au moins 3,5 fois égal à celui produit par les appareils anté- rieurs. Par conséquent, pendant le forage, l'appareil peut

faire fonctionner le trépan de forage sous une charge de fo-

rage supérieure d'environ 3,5 fois aux charges utilisées dans

l'art antérieur.

En outre, le moteur peut développer la puissance

appropriée tout en travaillant à des vitesses très inférieu-

res à celles des moteurs à fluide antérieurs, ce qui permet l'utilisation de trépans du type à rouleau sans détérioration accrue de leurs pièces, de sorte que le trépan peut forer sur de plus grandes profondeurs avant de devoir être retiré du sondage et remplacé. Il en résulte une diminution importante du coût de forage par mètre de sondage et une diminution du

nombre de trépans nécessaires pour forer un forage de lon-

gueur demandée. De plus, le temps nécessaire pour effectuer les aller et retour de l'appareil dans le sondage afin de

procéder au changement des trépans est sensiblement réduit.

La vibration du rotor est considérablement ré-

duite par le fait que ce rotor est creux, ce qui diminue sa

- masse et contribue ainsi à augmenter la durée de vie du mo-

teur et celle des pièces qui lui sont associées. La vibration est également réduite par la possibilité de faire fonctionner

le moteur de forage à vitesse réduite.

Du fait de l'utilisation d'un rotor creux, avec les avantages mentionnés ci-dessus, une soupape de décharge

peut être incorporée dans le rotor proprement dit, cette van-

ne étant fermée pendant que le fluide de forage est refoulé vers le bas dans le train de tiges de forage et dans le moteur de forage. La soupape s'ouvre automatiquement pour permettre à la boue de forage ou à tout autre fluide de s'écouler du train de tiges en passant dans le rotor creux, dans l'arbre du moteur et dans le trépan pendant que l'appareil est retiré d'un sondage rempli de boue ou autre fluide de forage, le train de tiges de forage se remplissant automatiquement de

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boue de forage ou de tout autre fluide contenu dans le sonda-

ge pendant qu'il est descendu, avec l'appareil, dans ce son-

dage. L'appareil comporte un ensemble à paliers placé dans le moteur de forage et protégé hermétiquement contre l'introduction de fluides et de matières extérieurs tels que la boue de forage. L'ensemble à paliers est rempli d'huile maintenue sous une pression supérieure à celle régnant à l'extérieur de cet ensemble, afin d'assurer l'application

d'huile propre sur les paliers proprement dits, ce qui favo-

rise une longue durée de vie de cet ensemble et améliore son aptitude à transmettre au trépan la pression de forage du train de tiges et du stator ou corps qui lui est fixé ainsi

que l'aptitude de cet ensemble à résister aux mouvements ra-

diaux ou latéraux de l'arbre du moteur dans le stator ou le corps. L'appareil comporte également un ensemble à paliers monté dans un moteur fluidique de forage et pouvant transmettre de manière sûre de plus grandes charges de forage

du train de tiges et du stator ou corps au trépan. En parti-

culier, plusieurs butées axiales sont utilisées, dont l'une supporte normalement la charge exercée sur le trépan, jusqu'à une valeur prédéterminée, une autre butée étant mise en jeu pour transmettre la charge devant être appliquée au trépan

au-delà de cette valeur prédéterminée.

- L'invention concerne donc un joint d'étanchéité aux fluides, convenant à une utilisation dans un appareil de forage en fond de puits afin d'empêcher le fluide de forage

de contaminer le fluide de lubrification d'un ensemble à pa-

liers monté dans l'appareil comportant l'arbre de commande.

Un arbre de commande rotatif passe dans un corps tubulaire.

Les éléments fixes du joint sont montés sur la paroi latérale intérieure du corps et les éléments rotatifs sont fixés sur

l'arbre de commande.

Les éléments rotatifs comprennent une rondelle de butée axiale, une bague de retenue fixée par une extrémité

à la rondelle, une garniture rotative qui présente une surfa-

ce d'étanchéité formée à l'une de ses extrémités, et plu-

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sieurs ressorts disposés entre les autres extrémités de la

bague de retenue et la garniture rotative. Les ressorts re-

poussent la surface de la rondelle en contact face contre face avec une surface formée sur un siège de butée axiale fixé au corps et ils repoussent la surface d'étanchéité de la garniture rotative en contact face contre face avec une surface d'étanchéité formée sur une garniture fixe qui est montée sur le corps. En général, les surfaces d'étanchéité

sont réalisées en métal.

L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels:

- la figure 1 est une élévation, avec coupe par-

tielle, d'un moteur hydraulique de forage en fond de puits, fixé à un train de tiges de forage et à un trépan et disposé dans un sondage - les figures 2a, 2b, 2c, 2d, 2e et 2f sont des élévations, avec coupe partielle et à échelle agrandie, de l'appareil de forage représenté sur la figure 1; - les figures 3a et 3b sont des coupes partielles à échelle agrandie, de la soupape montrée sur la figure 2a, respectivement en position de fermeture et en position de décharge; - la figure 4 est une coupe transversale suivant la ligne 4-4 de la figure 1;

- la figure 5 est une coupe longitudinale par-

tielle, à échelle agrandie, d'une variante de la soupape mon-

trée sur la figure 2a dont les fonctions de dérivation et de décharge sont séparées;

- la figure 6 est une coupe longitudinale par-

tielle, à échelle agrandie, d'une autre variante de la sou-

pape montrée sur la figure 2a dont les fonctions de dériva-

tion et de décharge sont séparées;

- la figure 7 est une coupe longitudinale par-

tielle, à échelle agrandie, montrant une modification appor-

tée à la soupape représentée sur la figure 2a; - la figure 8 est une vue partielle de dessus, à échelle agrandie, d'une variante du sous-ensemble à joint universel représenté sur la figure 2c; - la figure 9 est une coupe partielle suivant la ligne 9-9 de la figure 8;

- la figure 10 est une coupe longitudinale par-

tielle d'une autre variante du sous-ensemble à joint univer-

sel montré sur la figure 2c; et

- la figure 11 est une coupe longitudinale par-

tielle, à échelle agrandie, du sous-ensemble d'étanchéité

montré sur la figure":2e.

Les figures représentent un moteur hydraulique M de forage en fond de puits, dont la partie supérieure est reliée à un train de tiges tubulaires P, par exemple un train de tiges de forage aboutissant au sommet d'un sondage H, par

exemple un puits de pétrole ou de gaz en cours de forage.

L'extrémité inférieure de ce moteur est reliée à un trépan

rotatif convenable A qui comporte des organes de coupe B des-

tinés à attaquer le fond C du sondage. Le moteur de forage comprend une partie motrice hydraulique supérieure 10 et une partie inférieure 11 constituée par un arbre de commande et reliée au trépan rotatif, un ensemble 12 à joints universels étant monté entre les parties supérieure et inférieure. Comme décrit et comme montré sur les figures 1 et 2a, le moteur

comprend un corps extérieur 13 qui comporte un raccord supé-

rieur 14 présentant un joint fileté 15 qui est vissé sur un axe inférieur 16 d'un tronçon de tige de forage P adjacent, ce raccord comportant un axe inférieur 17 vissé dans un corps extérieur 18 de stator. Le corps de stator contient un stator

allongé 19 en élastomère ou en matière analogue à un caout-

chouc, présentant des lobes ou filets hélicoïdaux 20, forte-

ment inclinés, qui coopèrent avec un rotor creux, métallique

et allongé 21, présentant également des lobes ou filets héli-

coîdaux 22, fortement inclinés, complémentaires des lobes du stator. Il est inutile, pour la compréhension de l'invention, de décrire en détail les lobes du stator et du rotor et leur coopération, car ils sont décrits dans le brevet No 1 892 217 précité. Le nombre des lobes 20 du stator est supérieur d'une

unité à celui des lobes 22 du rotor.

Comme montré sur les figures 2b, 2c, 2d et 2e, un raccord femelle fileté inférieur 23 du corps 18 du stator est

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vissé sur l'extrémité supérieure d'un corps intermédiaire 24 dont une extrémité inférieure évidée 25 est vissée sur un corps inférieur ou une partie inférieure 26 du corps. Ainsi,

la structure extérieure 13 formant le corps comprend le rac-

cord supérieur 14, le corps extérieur 18 du stator, le corps intermédiaire 24, le corps inférieur 26 et un corps 71 de

palier. Les parties 26 et 71 entourent un ensemble 27 à pa-

liers s'étendant entre l'arbre 11 du moteur et les corps 26

et 71, cet ensemble 27 étant destiné à résister aux mouve-

ments radiaux de l'arbre de commande à l'intérieur de la structure formant corps et à transmettre le poids du train de tiges P, par l'intermédiaire de la structure 13, au trépan A afin d'appliquer à force les organes de coupe B contre le

fond C du sondage (comme montré sur la figure 1).

Le rotor creux 21 se termine par un prolongement

tubulaire 28 qui est fixé à l'extrémité supérieure d'un sous-

ensemble 29 à joints universels. Le prolongement 28 présente des orifices latéraux 30 qui établissent une communication entre un canal central 31 du prolongement et l'intérieur du

corps intermédiaire ou universel 24. Le canal central 31 com-

munique avec le canal intérieur 32 du rotor 21, ce canal 32 arrivant à l'extrémité supérieure du rotor. Le canal 32 est

fermé par une soupape 33 de dérivation et de décharge.

La soupape 33 est utilisée pour remplir et vider

le train de tiges de forage pendant respectivement la descen-

te et la remontée. Cependant, la soupape 33 agit également, sous une pression de fluide prédéterminée, afin de permettre

au fluide de s'écouler à l'intérieur du rotor 21 pour empê-

cher les dépassements de couple du moteur pendant les opéra-

tions de forage. La soupape s'ouvre sous la pression prédé-

terminée de fluide et se ferme sous une pression prédétermi-

née et inférieure à la précédente, afin d'éviter tout clique-

tis. Cette opération est obtenue par un accroissement de la surface sur laquelle la pression du fluide agit lorsque la

soupape de décharge s'ouvre.

Pendant la descente ou la remontée du train de

tiges, aucun fluide n'est refoulé dans ce dernier. Par consé-

quent, la soupape 33 est dans sa position normale d'ouverture dans laquelle elle permet au fluide contenu dans le puits ou dans le train de tiges de s'écouler en dérivation par le rotor 21. Lorsque le forage commence, la pression du fluide

provoque la fermeture de la soupape 33 et le fluide est re-

foulé à force entre le rotor 21 et le stator 19. Lorsque la pression du fluide dépasse la valeur prédéterminée, la partie de décharge de la soupape est actionnée et le fluide s'écoule

de nouveau en dérivation du moteur afin d'empêcher toute dé-

térioration de ce dernier.

Comme représenté sur la figure 2a, un manchon

coulissant 34 d'obturation est vissé sur l'extrémité supé-

rieure d'un mandrin creux 35 dont la paroi latérale présente

des ouvertures 36 qui communiquent avec l'intérieur du rac-

cord supérieur 14. La surface extérieure de l'obturateur 34

présente une gorge radiale destinée à retenir une bague annu-

laire 37a ou tout autre type de joint. Un orifice 109, réali-

sé dans l'obturateur 34, établit une communication entre la

gorge de la bague 37a et l'extrémité inférieure de l'obtu-

rateur 34. Ceci constitue une zone à basse pression qui favo-

rise le maintien du joint 37a dans sa gorge. Le mandrin 35 peut se déplacer longitudinalement dans un manchon coulissant 38 et dans un prolongement 39 de ce manchon coulissant. La

paroi intérieure du manchon 38 présente une gorge radiale re-

tenant une bague 37b qui assure l'étanchéité avec la surface extérieure du mandrin 35. L'extrémité inférieure du manchon 38 est de diamètre réduit et présente des filets destinés à s'engager avec des filets réalisés sur la surface intérieure de l'extrémité supérieure-du prolongement 39. Un orifice 111 est réalisé dans la paroi latérale du prolongement 39 et des encoches sont réalisées dans un organe 44 de retenue afin de

permettre une communication entre la cavité d'un ressort, dé-

crite ci-après, et l'intérieur du rotor 21, au-dessous d'un

orifice 46.

Le mandrin 35, le manchon 38 et le prolongement 39 du manchon sont également mobiles longitudinalement dans un corps 40 du manchon coulissant et dans un corps 41 d'un ressort comprimé. Le manchon 38 présente une gorge radiale réalisée dans sa paroi extérieure et retenant une bague 37c

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qui assure l'étanchéité avec la paroi intérieure du corps 40.

Ce dernier comporte une bride intérieure qui porte contre une

butée 42 formée sur la surface extérieure du manchon 38.

L'extrémité inférieure du corps 40 du manchon présente des filets extérieurs destinés à s'engager avec des filets inté- rieurs réalisés sur l'extrémité supérieure du corps 41 du ressort. La paroi extérieure de l'extrémité inférieure du corps 40 présente une gorge radiale destinée à retenir une bague 37d qui assure l'étanchéité avec la paroi intérieure du

corps 41 du ressort.

Le corps 41 du ressort présente une extrémité in-

férieure de diamètre réduit, formant l'extrémité supérieure d'une bride. Ainsi, le manchon 38, son prolongement 39, son

corps 40 et le corps 41 du ressort forment une cavité des-

tinée à retenir un ressort hélicoïdal 43 de la soupape de décharge. L'extrémité supérieure du ressort 43 porte contre la surface inférieure d'une partie de diamètre agrandi du

manchon 38, et son extrémité inférieure porte contre la sur-

face supérieure de la bride.du corps 41 du ressort. Le res-

sort 43 exerce une pression tendant à forcer la butée 42 con-

tre la bride intérieure du corps 40 du manchon.

L'extrémité inférieure du corps 41 du ressort porte contre l'extrémité supérieure d'un organe 44 de retenue

à orifice dont la paroi intérieure présente des filets des-

tinés à s'engager avec des filets formés sur la paroi exté-

rieure de l'extrémité inférieure du mandrin 35. L'organe 44

de retenue présente également une première gorge radiale réa-

lisée dans sa paroi intérieure et destinée à retenir une bague 37e qui assure l'étanchéité avec la partie extrême de

la paroi extérieure du mandrin 35, au-dessous des filets.

L'organe 44 de retenue est épaulé, entre ses extrémités afin de comporter une bride intérieure qui porte contre la surface extrême inférieure du mandrin 35. La paroi intérieure de la

partie inférieure de l'organe 44 de retenue présente une se-

conde gorge radiale recevant la partie extérieure d'un anneau élastique 45. Une bride radiale, tournée vers l'intérieur,

est formée sur l'extrémité inférieure de l'organe 44 de rete-

nue et elle coopère avec l'anneau élastique 45 pour retenir

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un tube 46 à orifice, pouvant être remplacé et placé entre cette bride et cet anneau. L'organe 44 de retenue présente

une troisième gorge radiale réalisée dans sa paroi intérieu-

re, entre la bride de l'extrémité inférieure et la gorge de l'anneau élastique, et destinée à retenir une bride 37f qui

assure l'étanchéité avec la paroi extérieure du tube à orifi-

ce 46.

L'extrémité inférieure du corps 41 du ressort comporte, sur sa paroi extérieure, des filets destinés à s'engager avec des filets analogues réalisés sur la paroi intérieure de l'extrémité supérieure du rotor 21. Ainsi, la paroi extrême supérieure du rotor 21 porte contre la paroi inférieure de la bride située entre les parties supérieure et inférieure du corps 41 du ressort. L'extrémité inférieure du corps 41 présente une gorge radiale réalisée dans sa paroi extérieure et destinée à retenir une bague 37g qui assure l'étanchéité avec la paroi intérieure du rotor 21. Un ressort

hélicoïdal 47 de compression porte par son extrémité supé-

rieure contre l'épaulement extérieur de l'organe 44 de rete-

20. nue, et l'extrémité inférieure de ce ressort porte contre un

épaulement intérieur 48 du rotor 21.

La figure 2a représente la soupape 33 de dériva-

tion et de décharge en position de repos. Comme montré sur les figures 1, 2a, 3a et 3b, lorsqu'un fluide sous pression est introduit dans l'extrémité supérieure du train de tiges P, la pression agit sur lemandrin 35, l'obturateur 34 et le tube à orifice 46. Le fluide peut alors s'écouler autour de la surface extérieure de la soupape 33 et dans les ouvertures 36. Ainsi, le fluide peut passer à l'intérieur du mandrin 35 et pénétrer par l'orifice 46 dans le canal central 32 du

rotor 21. Lorsque la pression du fluide augmente, l'obtura-

teur 34 est poussé à force dans l'extrémité supérieure du manchon 38 et la bague 37a empêche le fluide de s'écouler

dans la soupape 33. En outre, les accroissements de la pres-

sion du fluide font descendre à force l'obturateur 34 et le mandrin 35 afin de comprimer le ressort 47 jusqu'à ce que l'extrémité inférieure de l'obturateur 34 porte contre un épaulement intérieur 49 du manchon 38. Ceci empêche toute il 2472706 descente supplémentaire du mandrin 35 par rapport au manchon 38. Le fluide qui contourne la soupape 33 entraîne alors le

rotor 21.

Lorsque l'obturateur 34 porte contre l'épaule-

ment 49, la pression du fluide agit d'abord sur une surface égale à celle d'un cercle de rayon Ri plus R2, afin de faire descendre à force le manchon 38 et l'obturateur 34, ainsi que le mandrin 35 et l'organe 44 de retenue, ce qui comprime légèrement les ressorts 47 et 43 jusqu'à ce que l'organe 44 de retenue porte contre un épaulement intérieur 108 du rotor 21. Ceci empêche la poursuite du mouvement de descente du mandrin 35 par rapport au corps 40. Une pression croissante agit sur une surface égale à la différence entre la surface d'un cercle de rayon Ri plus R2 et la surface d'un cercle de rayon R1, de manière à faire descendre à force le manchon 38 et à comprimer davantage le ressort 43. Précédemment, la

pression du fluide agissant seule sur les surfaces supérieu-

res exposées du manchon 38 était insuffisante pour comprimer le ressort 43. Lorsque le manchron 38 descend par rapport au mandrin 35 et au corps 40 du manchon, les ouvertures 36 sont de nouveau découvertes et une partie du fluide s'écoule par

la soupape 33 vers le canal central 32 du rotor 21. Tout mou-

vement supplémentaire du manchon 38 est empêché par l'entrée en contact du prolongement 39 avec l'épaulement de l'organe 44 de retenue qui est en contact avec l'épaulement 108 du

rotor 21. Ainsi, la soupape 33 se comporte de manière à dé-

charger la pression pour un couple prédéterminé du moteur afin d'éviter toute détérioration de l'appareil de forage et

pour empêcher le moteur de "caler".

La soupape étant ouverte, la pression du fluide agit sur le mandrin 35, l'obturateur 34 et le tube à orifice

46 afin de les maintenir abaissés. De plus, lorsque la soupa-

pe est ouverte, le fluide agit sur une surface égale à la différence entre la surface d'un cercle de rayon Ri plus R2

et la surface d'un cercle de rayon R3, car les surfaces supé-

rieures intérieures du manchon 38 sont alors exposées. Ainsi, la pression nécessaire au maintien de la soupape en position d'ouverture est inférieure à celle demandée pour, provoquer

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l'ouverture de cette soupape. De plus, pour tout débit d'écoulement, la pression soumise au manchon 38 est la plus élevée, du fait que ce manchon est soumis à la pression

régnant au-dessous de l'orifice 46. Ceci empêche les clique-

tis et les mouvements alternés d'ouverture et de fermeture

lorsque la pression varie autour de la pression d'ouverture.

Lorsque la soupape reste ouverte, une chute notable de pres-

sion peut être détectée à la surface afin d'indiquer à l'opé-

rateur que la soupape de décharge est actionnée.

Pour fermer la soupape 33 après un calage du moteur, l'ensemble M de forage est soulevé du fond C du

sondage H. Etant donné que le moteur exige très peu de pres-

sion pour faire tourner le rotor dans cette condition, le

fluide recommence à s'écouler par la soupape pour faire tour-

* ner le rotor. Lorsque le moteur atteint sa vitesse de travail, la quantité de fluide s'écoulant par la soupape est si faible que la pression est insuffisante pour maintenir cette soupape en position d'ouverture et que ladite soupape revient dans sa position normale de travail montrée sur la figure 3a. De plus, pendant la descente et la remontée de l'appareil M de forage, la soupape 33 prend automatiquement

la position montrée sur la figure 2a dans laquelle elle per-

met au fluide de s'écouler à travers elle.

La figure 5 représente une variante de la soupape de dérivation et de décharge, destinée à être utilisée dans un appareil hydraulique de forage en fond de puits. Cette soupape est une combinaison d'une soupape de dérivation du type à clapet et d'une soupape de décharge du type à manchon coulissant séparé. Un obturateur à manchon 201 est vissé sur l'extrémité supérieure d'un mandrin creux 202 dont la paroi latérale présente des ouvertures 203 en communication avec

l'intérieur du raccord supérieur 14 (non représenté). L'obtu-

rateur 201 comporte une partie inférieure de diamètre réduit, formant un siège pour un joint 204 en élastomère qui présente

une surface 205 de contact, inclinée et tournée vers le bas.

Le mandrin 202 comporte une bride radiale exté-

rieure 206 formée au-dessous des ouvertures 203, et son ex-

trémité inférieure présente des filets extérieurs. Un prolon-

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gement creux 207 du mandrin présente des filets intérieurs réalisés dans son extrémité supérieure et destinés à s'enga-

ger avec les filets extérieurs du mandrin 202. Le prolonge-

ment 207 comporte une bride 208 formée au-dessous des filets de manière que l'extrémité inférieure du mandrin 202 et la bride 208 coopèrent pour retenir entre eux un élément 209 à orifice. Le prolongement 207 présente également des encoches

longitudinales 210 réalisées dans sa paroi latérale.

Un corps tubulaire 211 de manchon comprend une extrémité supérieure qui présente une surface de contact 212,

inclinée, tournée vers le haut et striée. La partie infé-

rieure du corps 211 est d'un diamètre intérieur accru et elle

comporte des filets intérieurs destinés à recevoir l'extré-

mité supérieure, filetée extérieurement, d'un corps tubu-

laire 213 de ressort. La surface extérieure du corps 213 pré-

sente une gorge radiale destinée à recevoir une bague 214 qui assure l'étanchéité avec la surface intérieure de l'extrémité

inférieure du corps 211. Ce dernier comporte une bride inté-

rieure 215 de manière que le mandrin 202, le prolongement

207, le corps 211 du manchon et le corps 213 du ressort for-

ment une cavité retenant un ressort hélicoïdal 216 dont l'ex-

trémité supérieure porte contre la surface inférieure de la

bride 206 et dont l'extrémité inférieure porte contre la sur-

face supérieure de la bride 215 afin de maintenir le mandrin

202 dans la position montrée par rapport au corps 211 du man-

chon, et de faire communiquer l'intérieur 32 du rotor 21 avec

la tige de forage située au-dessus.

Un manchon tubulaire 217 de soupape recouvre une

partie centrale du corps 213 de manchon, ce corps 213 présen-

tant des ouvertures longitudinales 218 formées dans sa paroi latérale. Une goupille 219 part radialement vers l'intérieur

de la paroi latérale du manchon 217 et passe dans une ouver-

ture longitudinale 218 et dans une encoche 210. La broche 219 passe typiquement dans des ouvertures analogues et opposées aux ouvertures 218 et 210, afin de guider le manchon 217 et le prolongement 207 lorsqu'ils coulissent par rapport au

corps 213 du ressort. Cette goupille 219 maintient les ouver-

tures alignées pour permettre un écoulement maximal lorsque

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la soupape est en position d'écoulement, c'est-à-dire lorsque

le manchon 217 est abaissé. De plus, la goupille 219 main-

tient l'obturateur 201 en contact avec le corps 211 lorsque la soupape est en position d'écoulement, afin d'empêcher tout cliquetis possible du clapet de cette soupape.

Le corps 213 du ressort présente une gorge radia-

le extérieure, s'élargissant vers l'intérieur, réalisée dans la paroi latérale deé-ce corps et destinée à retenir une bague 220 ou tout autre type de joint assurant l'étanchéité avec la paroi latérale intérieure du manchon 217 à l'extrémité supérieure de ce dernier. Un orifice 221 est réalisé dans la paroi latérale du corps 213 pour faire communiquer la gorge logeant la bague 220 et l'intérieur du corps 213, au-dessus de l'ouverture 218. La pression-régnant dans cette zone est

basse et tend à maintenir le joint 220 dans la gorge.

L'extrémité inférieure du corps 213 du ressort

est de diamètre réduit et sa paroi latérale extérieure pré-

sente des filets qui s'engagent avec des filets réalisés dans la paroi latérale intérieure de l'extrémité supérieure d'un second corps tubulaire 222 de manchon. L'extrémité inférieure

du corps 222 est d'un diamètre intérieur diminué afin de for-

mer un épaulement qui maintient un organe 223 d'orifice

contre l'extrémité inférieure du corps 213 du ressort. L'ex-

trémité inférieure du corps 222 comporte des filets formés sur sa paroi latérale extérieure et destinés à s'engager avec

des filets formés sur la paroi latérale intérieure de l'ex-

trémité supérieure du rotor 21. De plus, un orifice 110, réa-

lisé dans la paroi latérale de l'extrémité inférieure du corps 222, permet une communication entre l'intérieur du

corps 222 et la cavité du ressort, décrite ci-après.

La paroi latérale supérieure et extérieure du rotor 21 comporte des filets destinés à s'engager avec des filets formés sur la paroi latérale intérieure de l'extrémité inférieure d'un second 'corps tubulaire 225 de ressort. La

paroi latérale extérieure du rotor 21 comporte une bride ra-

diale 226 contre la face supérieure de laquelle porte l'ex-

trémité inférieure du corps 225. Ce dernier présente une

gorge radiale réalisée dans sa paroi latérale intérieure, au-

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dessus des filets, et destinée à retenir une bague 227 qui assure l'étanchéité avec la paroi latérale extérieure de l'extrémité supérieure du rotor 21. Les parties centrale et

supérieure du corps 225 sont d'un-diamètre intérieur accru.

L'extrémité inférieure du manchon-217 présente une gorge ra- diale réalisée dans sa paroi latérale extérieure et destinée à retenir une bague 228 qui assure l'étanchéité avec la paroi

latérale intérieure de l'extrémité supérieure du corps 225.

Une seconde gorge radiale est réalisée dans la paroi latérale intérieure de l'extrémité inférieure du manchon 217 afin de retenir une bague 229 qui assure l'étanchéité avec la paroi

latérale extérieure de l'extrémité supérieure du corps 222.

Le manchon 217, le corps 222 de manchon, le rotor 21 et le corps 225 de ressort forment une cavité destinée à-un ressort

hélicoïdal 230 dont l'extrémité supérieure porte contre l'ex-

trémité inférieure du manchon 217 et dont l'extrémité infé-

rieure porte contre l'épaulement formé à l'extrémité infé-

rieure du corps 225. Ainsi, le manchon 217 de la soupape peut coulisser entre les surfaces opposées du corps 222 et du corps 225, à partir de la position montrée, et vers le bas

jusqu'à ce que la goupille 219 porte contre le fond de l'en-

coche 210 sous la force du ressort 230. Ceci suppose évidem-

ment que l'encoche 210 a été au préalable abaissée au maximum

et qu'elle n'occupe pas la position montrée sur la figure 5.

En cours de fonctionnement et pendant les montées et les descentes, la soupape occupe la position représentée

dans laquelle elle permet au fluide de s'écouler entre l'in-

térieur 32 du rotor 21 et la piste supérieure du forage (non représentée) en passant dans les ouvertures 203 et à l'intérieur de la soupape. Lorsque du fluide sous pression

est refoulé de manière à descendre dans le puits, l'obtura-

teur 201, le mandrin 202, l'organe 209 à orifice et le pro-

longement 207 sont abaissés à force contre le ressort 216 par rapport au corps 211 jusqu'à ce que les surfaces 205 et 212 soient en contact pour protéger hermétiquement l'intérieur de

la soupape contre le fluide sous pression. Le fluide con-

tourne alors la soupape afin d'entraîner le rotor 21 pour le forage. La pression du fluide agit sur une surface à peu près

égale à celle d'un cercle de rayon RM.

La partie de décharge de la soupape fonctionne

lorsque la pression, agissant sur une surface égale à la dif-

férence entre la surface d'un cercle de rayon R2 plus R3 et celle d'un cercle de rayon R2, est suffisante pour vaincre la force du ressort 230. Le manchon 217 descend alors par rap- port au corps 213 afin de découvrir l'ouverture 218 pour que le fluide puisse s'y écouler. Du fluide passe à l'intérieur de la soupape pour réduire la pression exercée sur le rotor 21. De même que dans- la forme de réalisation décrite précédemment, la présente soupape de décharge demande moins de pression pour être maintenue en position d'ouverture que

pour être amenée dans cette position. En position d'ouver-

ture, la pression du fluide agit sur une surface égale à la différence entre la surface d'un cercle de rayon R2 plus R3 et celle d'un cercle de rayon R4. De plus, le manchon 217 est

sensible à la plus grande chute de pression due à-une commu-

nication provenant d'un point situé au-dessous de l'orifice 223. Par conséquent, la soupape ne cliquète pas. En outre, les fonctions de dérivation et de décharge sont isolées l'une de l'autre, contrairement à la soupape montrée sur la figure 2a. La figure 6 représente une deuxième variante de

la soupape de dérivation et de décharge selon l'invention.

Cette soupape est une combinaison d'une soupape de dérivation

du type à clapet et d'une soupape de décharge du type à cla-

pet. La soupape de décharge est du type à ouverture totale, dans lequel l'écoulement passant par le manchon coulissant

crée une différence de pression qui vainc la force d'un res-

sort tendant à fermer la soupape.

Un obturateur 241 de manchon est vissé sur l'ex-

trémité supérieure d'un mandrin creux 242 dont la paroi laté-

rale présente une ouverture 243. L'obturateur 241 comporte une partie inférieure de diamètre réduit, formant un siège pour un joint 244 en élastomère qui présente une surface 245

de contact inclinée vers le-bas.

Le mandrin 242 comporte une bride 246 orientée

radialement vers l'extérieur et formée au-dessous de l'ouver-

17 2472706

ture 243. Un corps tubulaire 247 de manchon comprend une ex-

trémité supérieure qui présente une surface 248 de contact inclinée vers le haut. Les parties centrale et inférieure du corps 247 ont un diamètre intérieur accru et présentent un filetage intérieur destiné à s'engager avec des filets formés sur la paroi latérale extérieure et à l'extrémité supérieure d'un corps tubulaire 249 de ressort. Ce corps 249 comporte une bride intérieure radiale 250. Le mandrin 242 et le corps 249 forment une cavité pour un ressort hélicoidal 251 dont l'extrémité supérieure porte contre la surface inférieure de la bride 246 et dont l'extrémité inférieure porte contre la surface supérieure de la bride 250. Le mandrin 242 présente

une ouverture 113 réalisée dans la paroi latérale et permet-

tant une communication entre l'intérieur du mandrin 242 et la

cavité du ressort.

Le corps 249 présente un épaulement extérieur 252

tourné vers le haut et formé à proximité de son extrémité in-

férieure, et la paroi latérale extérieure du corps 249 com-

porte des filets situés au-dessus de l'épaulement. Ces filets s'engagent avec des filets intérieurs réalisés à proximité de l'extrémité inférieure d'un corps 253 de ressort qui porte contre la bride 252. Le ci D5 de ressort présente une gorge radiale réalisée dans sa paroi latérale intérieure, au-dessus des filets, et destinée à retenir une bague 254 qui assure

l'étanchéité avec la paroi latérale extérieure du corps 249.

Les parties centrale et supérieure du corps 253 sont décalées radialement vers l'extérieur de la partie inférieure pour

former un épaulement intérieur 255.

Un manchon coulissant 256 est placé entre la paroi intérieure du corps 253 et la paroi extérieure du corps 249, à proximité d'une ouverture 257 réalisée dans la paroi latérale du corps 249. Une gorge radiale est réalisée dans la paroi latérale inférieure et intérieure du manchon 256 afin de retenir une bague 258 qui assure l'étanchéité avec la

paroi latérale extérieure du corps 249, au-dessous de l'ou-

verture 257. Une autre gorge radiale est réalisée dans la paroi latérale extérieure et centrale, de diamètre augmenté, du manchon 256 afin de retenir une bague 259 qui assure

18 2472706

l'étanchéité avec la paroi latérale intérieure et supérieure

du corps 253.

Le corps 249, le corps 253 et le manchon 256 for-

ment une cavité destinée à retenir un ressort hélicoïdal 260 dont l'extrémité supérieure porte contre l'extrémité infé- rieure du manchon 256 et dont l'extrémité inférieure porte contre la surface supérieure de l'épaulement 255. Le ressort

260 applique à force-l'extrémité supérieure inclinée du man-

chon 256 en contact étanche'avec un joint 261 en élastomère

retenu dans l'extrémité inférieure du corps 247.

La paroi centrale du corps 249 présente une ou-

verture à laquelle un tube 265 de détection est fixé de

manière étanche, par soudage ou par tout autre moyen appro-

prié, ce tube descendant dans le rotor 21, jusqu'à l'extré-

mité inférieure de ce dernier (non représentée).

Le corps 249 est fixé de manière étanche au rotor

21 par soudage ou par tout autre moyen approprié.

Le manchon 256 présente un orifice 264 qui peut être bouché et qui permet une communication avec un canal 262 dont l'extrémité supérieure est bouchée par un obturateur , ce canal 262 communiquant par un canal 263 avec une

cavité délimitée autour du ressort 260 et, par l'intermé-

diaire du tube 265, permettant la purge de ce système avec de

la graisse ou tout autre fluide convenable, ainsi qu'un rem-

plissage des cavités et des canaux avec le même fluide. Ceci assure une détection convenable-de la pression s'exerçant du rotor 21, situé à un niveau inférieur (non représenté), contre la face inférieure du manchon 256 pour permettre un

fonctionnement convenable de la soupape, comme décrit ci-

dessous.

La soupape de dérivation, du type à clapet, fonc-

tionne sensiblement comme la soupape montrée sur la figure 5.

La pression du fluide agissant sur la surface du dessus de l'obturateur 241 et par le mandrin 242 repousse vers le bas l'obturateur et le mandrin 242 contre le ressort 251. Lorsque les surfaces 245 et 248 sont en contact étanche, aucun fluide

ne s'écoule par la soupape.

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Bien qu'elle ne soit pas représentée sur les figures, la partie de dérivation de la soupape montrée sur la

figure 2a peut être constituée par.'une soupape du type à cla-

pet. En outre, diverses formes dei joints peuvent être utili-

sées avec les soupapes du type à clapet représentées, afin d'accroître l'efficacité de l'étanchéité réalisée dans la

soupape de dérivation.

La figure 7 est une coupe partielle d'une varian-

te de la soupape représentée sur la figure 2a. Dans le cas o

la soupape de dérivation ou de décharge présente une défail-

lance alors qu'elle est en position d'ouverture, la plus grande partie du fluide sous pression s'écoule par le centre du rotor et le moteur ne produit pas de forage. Dans ce cas,

l'appareil de forage doit être retiré du puits et réparé.

L'invention résout ce problème par la mise en place d'un filtre sur l'extrémité du mandrin coulissant. Le filtre est ensuite obturé par l'apport par le dessus d'une matière convenable. La pression du fluide tend alors à s'élever et soit à fermer à force la soupape, soit, par le simple fait de l'obturation, à provoquer un écoulement du fluide autour de

la soupape 33 et à faire démarrer le moteur.

Le tamis 273 est soigneusement perforé de manière à retenir la matière appropriée qui doit être suffisamment fine pour passer à travers le moteur et le trépan, sans les engorger. De plus, les perforations du tamis 273 doivent être suffisamment grandes pour permettre le passage des matières normales circulant librement. En outre, le tamis 273 présente l'avantage de travailler avec une matière suffisamment fine pour ne pas obturer d'autres équipements situés au-dessus de

l'outil. Par exemple, dans un exemple typique de fonctionne-

ment, une matière d'obturation ayant des particules de 6,5 mm de diamètre (ou un tamis ayant des ouvertures de 6,5 mm)

donne satisfaction.

Un organe modifié 441 à orifice est vissé sur l'extrémité inférieure du mandrin 35. L'organe 44 de retenue montré sur la figure 2a est modifiépar agrandissement de la gorge logeant l'anneau élastique 45, suppression de la gorge logeant la bague 37f et suppression de la bride intérieure

2472706

située à l'extrémité inférieure. Un tube amovible 271 à ori-

fice comporte une bride radiale et extérieure 272 formée à son extrémité inférieure. Ce tube à orifice 271 pénètre dans

le mandrin 35 et la bride 272 porte contre l'extrémité infé-

rieure du mandrin. Un tamis tubulaire 273 comporte une bride

274 formée à son extrémité supérieure et son extrémité infé-

rieure est fermée. Le tamis 273 est placé au-dessous du tube

à orifice 271 de manière que les brides 272 et 274 soient ap-

pliquées l'une contre l'autre et que l'organe 44' de retenue soit vissé sur l'extrémité du mandrin 35 pour retenir le tube à orifice et le tamis. Ce dernier peut être obturé par de

petits copeaux de caoutchouc ou par toute autre matière con-

venable, d'une dimension lui permettant de passer dans l'ou-

verture de la soupape, mais non dans les ouvertures du tamis.

Comme représenté sur les figures 1 et 2b, l'ex-

trémité inférieure du prolongement 28 du rotor est vissée dans un évidement (non représenté) ménagé dans l'extrémité supérieure du sousensemble 29 à joints universels qui est

représenté plus en détail sur la f.igure 2c. Un tube protec-

teur 49 est placé au-dessus de la jonction du prolongement 28 et du sousensemble 29 à joints universels. Lorsque le rotor 21 tourne, le tube 49 de protection frotte contre la surface

intérieure du corps 24 afin de stabiliser l'extrémité infé-

rieure du rotor. Ceci soulage le sous-ensemble à joints uni-

versels de la charge radiale et protège le stator 19 contre

les charges radiales élevées.

Le sous-ensemble 29 comprend un joint universel double disponible dans le commerce. Ce sous-ensemble 29 est en fait constitué de deux joints universels, et une extrémité supérieure du sous-ensemble est vissée sur le prolongement 28

du rotor et son extrémité inférieure est vissée sur l'extré-

mité supérieure d'un prolongement 50 de l'arbre 11 de com-

mande. Etant donné que le rotor 21 suit un trajet excentré ou orbital autour de l'axe longitudinal du stator 19 lorsqu'il tourne, le sousensemble 29 transmet ce mouvement à l'arbre 11 du moteur. Chacun des joints est entouré d'un boîtier

élastique 51 fixé, à chaque extrémité, par un collier empê-

chant la boue de forage ou tout autre fluide s'écoulant dans

le corps 24 de pénétrer dans la structure des joints univer-

sels et de les détériorer.

Chaque collier comprend un anneau 52 en C qui est comprimé au moyen d'une bande 53 de serrage comprimant le boîtier dans une gorge arrondie réalisée dans la surface ex-

térieure du sous-ensemble. De cette manière, une force pré-

déterminée peut être exercée et aucun bord vif ne risque

d'entailler le boîtier. Le prolongement 50 de l'arbre de com-

mande est vissé dans un évidement ménagé dans l'extrémité inférieure du sous-ensemble 29. Un clapet 54 de retenue est vissé dans le fond de l'évidement de l'extrémité inférieure afin de communiquer avec l'intérieur du sous-ensemble à joints universels. De l'huile ou de la graisse peut être refoulée à force dans ce sous-ensemble au moyen du clapet 54

pour "gonfler" légèrement les boîtiers 51. Dans les condi-

tions hydrostatiques régnant au fond du puits, tout air rete-

nu dans le lubrifiant tend à se comprimer, mais l'excédent de lubrifiant empêche les boîtiers de venir en contact avec les parties mobiles du joint, ce qui prolonge la durée de vie des

boîtiers.

La figure 8 représente une variante du sous-

ensemble à joints universels montré sur la figure 2c. Cette variante diffère de la forme de réalisation précédente par le fait qu'elle transmet la poussée au moyen d'un joint à rotule, et le couple au moyen d'une grosse cheville unique qui tourne à l'intérieur d'une crosse. Etant donné que les charges de poussée et de couple sont séparées, ce joint est plus robuste

qu'un joint universel classique de même dimension.

La variante du sous-ensemble à joints universels

comprend un corps extrême supérieur 281 qui présente un évi-

dement fileté destiné à recevoir le prolongement 28 du rotor

(non représenté) et un corps extrême inférieur 282 qui pré-

sente un évidement fileté destiné à recevoir le prolongement de l'arbre de commande. Chaque corps extrême présente un alvéole destiné à recevoir une rotule formée à l'extrémité d'un arbre 283. Chaque rotule est traversée par une cheville

284 dont les extrémités pénètrent dans des ouvertures ména-

gées dans les parois de l'alvéole. Une crosse 285 est emman-

22 2472706

chée sur chaque extrémité de chaque cheville et maintenue en place par une rondelle rectangulaire 286 et une vis 287. Deux faces parallèles de la crosse 285 portent et coulissent contre deux surfaces opposées de l'ouverture, ces surfaces étant à peu près parallèles à l'axe longitudinal de l'arbre 283. Comme représenté sur la figure 9, les forces de poussée, orientées '-dans une- direction longitudinale, sont transmises par les surfaces de contact de la rotule et de l'alvéole ou douille. La cheVille 284 est emmanchée à force dans la rotule. Par conséquent, la cheville 284, la rondelle 286 et la vis 287 tournent par rapport à la crosse 285. Le couple, qui tourne autour de l'axe longitudinal, est transmis par les faces de contact des crosses et des ouvertures et par

l'intermédiaire des rotules et des chevilles.

Chaque zone comportant une rotule et une douille, ou le joint universel dans son ensemble, est recouverte d'un joint en élastomère, non représenté, d'une manière analogue à celle décrite pour le sous-ensemble 29 à joints universels et

comme montré sur la figure 2c.

La figure 10 est une coupe partielle d'une variante du sous-ensemble 29 à joints universels montré sur

la figure 2c. Ce sous-ensemble comporte un corps extrême in-

férieur 291 qui présente un évidement fileté destiné à rece-

voir le prolongement de l'arbre de commande (non représenté).

Un tube 292 de lubrification est vissé dans le fond de l'évi-

dement afin de communiquer avec la douille formée dans le corps extrême 291. Un graisseur 293, par exemple un clapet de Schrader, est vissé dans l'autre extrémité du tube 292. Une

rotule 294 présente deux ouvertures espacées de 1800 et déca-

lées de 900 l'une par rapport à l'autre. Une plaque 295, em-

manchée à force dans une ouverture ménagée dans la paroi de la douille, peut coulisser dans l'une des ouvertures de la rotule. Deux organes filetés 296 de fixation empêchent la

plaque de prendre du jeu.

Une plaque 297, qui peut coulisser dans l'ouver-

ture située sur l'autre côté de la rotule 294, est emmanchée à force dans une ouverture ménagée dans une douille ou un alvéole de l'extrémité d'un arbre 298 qui relie le corps extrême inférieur 291 à un corps extrême supérieur analogue

(non représenté). Deux organes filetés 296 de fixation empê-

chent la plaque 297 de prendre du jeu. Un organe fileté 299 de fixation passe dans des trous de la plaque 295 et de la rotule 294 et se visse dans la plaque 297 afin de maintenir le corps extrême inférieur 291 et l'arbre 298 assemblés l'un à l'autre pendant le montage et avant l'installation dans

laquelle des forces de compression maintiennent le sous-

ensemble en position.

En cours de fonctionnement, la poussée est trans-

mise par la rotule et la douille et le couple est transmis par les plaques. Ces plaques 295 et 297 coulissent dans les ouvertures de la rotule 294 lorsque le joint universel

tourne, afin de transmettre le couple du corps extrême supé-

rieur (non représenté) à l'arbre 298 puis au corps extrême inférieur 291. Chaque zone comportant une rotule et une douille est recouverte d'un joint en élastomère, d'une manière analogue à celle décrite pour le sousensemble 29 à

joints universels montré sur la figure 2c.

Les figures 2c, 2d, 2e et 2f montrent un tronçon de l'arbre 11 de commande de l'appareil de forage. Un raccord

femelle fileté 55 est formé à l'extrémité inférieure de l'ar-

bre 11 de commande et est destiné à recevoir un axe ou embout fileté 56 du trépan A de forage. L'extrémité supérieure de l'arbre 11 est vissée dans le prolongement 50. Un palier 57 de marine, comportant un manchon intérieur en élastomère qui est fixé à un manchon extérieur rigide, repose sur une bride

formée sur la paroi latérale intérieure de l'extrémité supé-

rieure du corps 26. Une clavette 58 est retenue dans des rai-

nures de la paroi latérale extérieure du palier 57 et de la paroi latérale intérieure du corps 26 afin d'empêcher toute rotation entre ce palier et ce corps. Un écrou 59 de blocage du palier est vissé dans l'extrémité supérieure du corps 26

afin de retenir le palier 57.

* Un manchon 60 du palier est fixé au prolongement de l'arbre de commande de manière à coulisser contre le palier 57 de marine et à reposer contre la bride inférieure du prolongement 50. Une vis ou un axe 61 orienté radialement est fixé dans la paroi latérale du prolongement 50 afin de retenir le manchon 60 du palier. Des rainures sont réalisées

dans la surface extérieure du prolongement 50 afin de per-

mettre au fluide de s'écouler entre ce dernier et le manchon du palier. Cependant, une petite quantité de ce fluide s'écoule entre le manchon 60 et le palier 57 de marine afin

de lubrifier ce dernier. Le palier de marine stabilise l'ar-

bre 11 de commande et absorbe les charges radiales transmises

par le sous-ensemble à joints universels.

L'arbre 11 de commande présente plusieurs ori-

fices 62 réalisés dans sa paroi latérale. La surface extér-

ieure de la paroi latérale de l'arbre de commande est filetée au-dessous des orifices afin de recevoir un écrou tubulaire 63 dans l'extrémité supérieure duquel une gorge radiale et

intérieure est réalisée afin de retenir une bague 64 qui as-

sure l'étanchéité avec la paroi latérale de l'arbre 11 de commande. L'extrémité supérieure de l'écrou 63 est d'un

diamètre intérieur accru, au-dessus de la gorge, afin de for-

mer un épaulement.

Un tube 65 de retenue d'un ressort présente une extrémité supérieure proche des extrémités inférieures du palier 57 de marine et du manchon 60. L'extrémité supérieure de l'organe 65 de retenue comporte une bride extérieure qui

présente une face inférieure portant contre l'extrémité supé-

rieure d'un ressort hélicoïdal 66. Un manchon tubulaire 67 de

piston comporte, à son extrémité supérieure, des filets inté-

rieurs destinés à s'engager avec des filets formés sur la

paroi latérale extérieure de l'organe 65 de retenue. Le man-

chon 67 présente une extrémité inférieure de diamètre accru

qui repose sur une bride orientée radialement vers l'inté-

rieur et formée sur un organe supérieur et fixe 68 de retenue d'un joint. Le corps 26, l'organe 65 de retenue, le manchon

67 et l'organe 68 de retenue forment une cavité ou un cylin-

dre destiné à retenir le ressort 66. Un piston 69 du type an- nulaire est disposé dans la partie inférieure de la cavité afin de pouvoir

coulisser dans cette dernière, et la surface supérieure de ce piston porte contre l'extrémité inférieure du ressort 66. Le piston 69 présente également des gorges radiales intérieure et extérieure destinées à retenir des bagues 70 qui assurent l'étanchéité avec la paroi latérale extérieure du manchon 67 et avec la paroi latérale intérieure

du corps 26.

L'extrémité inférieure de l'organe 68 de retenue est supportée par l'extrémité supérieure d'un corps 71 de

palier qui est vissé dans l'extrémité inférieure du corps 26.

Pendant l'assemblage, la cavité située au-dessous du piston 69 est remplie de lubrifiant, généralement de l'huile, au moyen d'un orifice ménagé dans la paroi latérale du corps 26,

et cet orifice est ensuite obturé à l'aide d'un clapet de re-

tenue, comme décrit ci-après. Le lubrifiant peut être vidangé par un autre orifice ménagé dans le corps 26 et normalement fermé par un bouchon 72. Le lubrifiant est introduit sous pression et il tend à repousser le piston 69 vers le haut en comprimant le ressort 66. En cours de fonctionnement normal, le ressort 66 maintient le lubrifiant sous une pression qui dépasse la pression exercée extérieurement par le fluide, afin d'empêcher ce dernier de pénétrer dans le palier, comme décrit ci- après. La position du piston 69 dans la cavité donne une bonne indication de la quantité d'huile contenue dans la zone du palier, cette position étant déterminée par mesure de la pression du lubrifiant. En outre, le piston ne vient pas en contact avec les parties rotatives, de sorte que

le joint obtenu est meilleur que celui réalisé dans les appa-

reils antérieurs.

L'extrémité inférieure de l'écrou 63 de l'arbre de commande porte contre l'extrémité supérieure d'un manchon tubulaire et supérieur 73 de guidage qui est claveté sur l'arbre 11 afin de tourner avec lui. Le manchon 73 présente une gorge radiale intérieure destinée-à retenir une bague 74 qui assure l'étanchéité avec la paroi latérale extérieure de l'arbre 11 de commande. Un sous-ensemble 75 d'étanchéité est relié par son extrémité supérieure à l'extrémité inférieure du manchon 67 du piston, et il est relié par son extrémité inférieure à l'extrémité supérieure du corps 71. Une partie

26 2472706

centrale du sous-ensemble 75 est clavetée sur le manchon su-

périeur 73 de guidage afin de tourner avec lui. Le sous-

ensemble d'étanchéité sera décrit plus en détail ci-dessous.

L'extrémité inférieure du manchon 73 porte contre la surface supérieure d'une bague intérieure 76 d'un palier 77 à rouleaux cylindriques. La bague 76 est supportée par une entretoise tubulaire 78 qui, elle-même, est supportée par une bague 79 de^-jpoussée d-e palier axial. Le palier 77 est supporté par une entretoise tubulaire 80 qui, elle-même, est supportée par une entretoise 81 de palier axial. Un palier axial 82 à rouleaux cylindriques est retenu entre la bague 79

et l'entretoise 81. -

Un ensemble analogue à paliers est placé au-

dessous de la bague 79 de butée et comprend une entretoise

tubulaire inférieure 83 de palier, un palier axial 84 à rou-

leaux cylindriques, un élément 85 de retenue et de support de

palier, une bague intérieure 86, un palier 87 à rouleaux cy-

lindriques, un manchon inférieur 88 de guidage et un sous-

ensemble 89 d'étanchéité. L'élément 85 de retenue comporte

une bride radiale et extérieure, réalisée à son extrémité su-

périeure et reposant sur l'extrémité supérieure d'un corps inférieur 90 d'étanchéité dont l'extrémité supérieure est

vissée dans l'extrémité inférieure du corps 71 de palier.

Un obturateur extrême cylindrique 91 est fixé

sur l'extrémité inférieure du corps 90 au moyen d'organes fi-

letés convenables de fixation. Un organe 92 de retenue de joint est vissé dans l'extrémité supérieure de l'obturateur

extrême 91 afin de retenir l'extrémité inférieure du sous-

ensemble 89 d'étanchéité. L'extrémité supérieure de ce sous-

ensemble est fixée au corps 90 et une partie centrale est clavetée sur le manchon 88 afin de tourner avec lui. Une bride 93 de l'arbre de commande est goupillée sur le raccord

femelle fileté 55 et clavetée sur le manchon 88.

Une ouverture (non représentée sur la figure 2e) est réalisée dans la paroi latérale du corps inférieur 90 de joint afin de recevoir un clapet de retenue (non représenté) et un bouchon amovible (non représenté), analogue au bouchon 72. Lorsque ce bouchon est retiré, un lubrifiant peut être introduit sous pression à l'intérieur de l'ensemble à paliers. La boue de forage ou tout autre fluide extérieur

à l'ensemble à paliers ne peut pénétrer du fait de la pré-

sence du lubrifiant sous pression et des sous-ensembles 75 et

89 d'étanchéité.

La figure 11 est une coupe partielle, à échelle agrandie, du sousensemble 75 d'étanchéité qui est analogue au sous-ensemble 89. Une rondelle 101 de butée axiale est

fixée à une bague 102 de retenue par des organes filetés con-

venables 103 de fixation. La bague 102 présente plusieurs ouvertures réalisées dans sa face supérieure et destinées à recevoir les extrémités inférieures de ressorts hélicoïdaux 104 dont les extrémités supérieures portent contre la surface inférieure d'une garniture d'étanchéité rotative supérieure 105. L'organe de retenue est claveté sur le manchon supérieur 73 de guidage (figure 2d) de manière à tourner avec l'arbre 11 de commande. Les éléments indiqués ci-dessus portent contre une garniture d'étanchéité 106 qui est chevillée sur

le manchon 67 de piston (figure 2d).

Les garnitures d'étanchéité 105 et 106 sont réa-

lisées en métal et elles sont maintenues en contact face à face par les ressorts 104 afin d'assurer l'étanchéité sous une très basse pression. La rondelle 101 tourne contre un

siège 107 de butée axial de manière que l'organe 102 de rete-

nue soit supporté par le corps plutôt que par l'arbre de com-

mande. Ce type de garniture d'étanchéité peut mieux tolérer les fauxronds radiaux qu'une garniture d'étanchéité du type en élastomère et il est bien équilibré vis-à-vis des hautes pressions et des inversions de pression. Cette garniture

d'étanchéité peut également supporter des oscillations axia-

les.

En utilisation normale, le trépan A de forage est fixé à l'extrémité inférieure de l'arbre 11 de commande et le raccord supérieur 14 est fixé à l'extrémité inférieure du train de tiges de forage P. Lorsque l'appareil de forage est descendu dans le fluide de forage contenu dans le sondage H, jusqu'au fond C de ce dernier, la soupape 33 de dérivation et

de décharge est ouverte afin de permettre au fluide de remon-

ter par des tuyères ou des buses (non représentées) dans le trépan A de forage. Le fluide s'écoule dans un canal central 122 du trépan, puis dans un canal central 123 de l'arbre de commande; il sort par les orifices 62 afin de pénétrer dans l'espace annulaire ménagé au-dessus des paliers, puis il passe dans le palier 57 de marine et dans les rainures du prolongement 50 de l'arbre de commande, et pénètre dans l'espace 125 compris entre le corps 24 et le sous-ensemble 29

à joints universels. Le fluide pénètre ensuite dans les ori-

fices latéraux 30 du canal central 31 et il continue de s'élever dans le canal interne 32 du rotor creux 21, puis il passe dans la soupape ouverte 33 et pénètre dans le train de

tiges P.-

Lorsque le trépan A atteint le fond C du sondage H, la boue de forage ou tout autre fluide est descendu par

refoulement dans le train de tiges P. Sous une pression pré-

déterminée, la soupape 33 se ferme afin de diriger l'écoule-

ment de fluide entre le rotor 21 et le stator 19 afin de faire tourner le rotor. Le fluide suit le circuit décrit ci-dessus, mais en sens opposé, afin d'être déchargé par le trépan A pour nettoyer les organes de coupe de ce dernier et éliminer les débris de coupe latéralement vers l'extérieur, puis les

faire remonter dans l'espace annulaire ménagé entre l'appa-

reil de forage et le sondage.

Pendant le forage, une charge appropriée de forage est exercée sur le trépan A en permettant à une partie du poids du train de tiges P de reposer sur la structure 13 formant corps. Ce poids est transmis du raccord supérieur 14 à la bride 93 de l'arbre de commande par le corps 18, le corps 24, le corps 26, le corps 71 de palier, l'entretoise 81 de

palier axial, le palier axial 82, la bague 79 de butée, l'en-

tretoise tubulaire 83, la bague intérieure 86 et le manchon 88 de guidage. Le poids est ensuite transmis par le raccord fileté 55 au trépan A qui applique ainsi ses organes de coupe B sous une certaine pression contre le fond C du sondage H

afin de les faire pénétrer dans ce fond.

Dans le cas o le trépan A de forage est soulevé du fond C du sondage pendant que le fluide est pompé dans le

moteur M de forage, et alors que le rotor 21, le joint uni-

29 2472706

versel 12, l'arbre 11 de commande et le trépan A tournent, la bague 79 de butée -repose sur le palier axial inférieur 84 afin de supporter la poussée exercée vers le bas, sur le rotor, par le fluide de forage qui agit contre les lobes 22, et par le poids de l'arbre 11 de commande et du joint uni-

versel situés au-dessus.

En résumé, l'invention concerne un joint d'étan-

chéité aux fluides présentant deux surfaces opposées et espa-

cées d'appui, et un organe d'étanchéité qui présente deux

surfaces parallèles d'étanchéité. Le joint comprend égale-

ment des organes qui tendent à faire porter chacune de deux surfaces parallèles d'appui contre l'une, correspondante, des surfaces espacées d'appui afin de réaliser des contacts face contre face. L'organe d'étanchéité peut être déplacé

pour que les surfaces parallèles d'étanchéité puissent glis-

ser entre les surfaces espacées d'étanchéité.

Il va de soi que de nombreuses modifications peu-

vent être apportées au joint décrit et représenté sans sortir

du cadre de l'invention.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Joint d'étanchéité aux fluides, destiné à être

utilisé dans un appareil de forage en fond de puits compor-

tant un arbre (11) de commande qui peut tourner par rapport à un corps tubulaire (26) destiné à cet arbre, le joint étant caractérisé en ce qu'il comporte un premier organe d'appui fixé au corps, un premier organe d'étanchéité fixé au corps,

espacé longitudinalement du premier organe d'appui et présen-

tant une surface d'étanchéité, et un second organe d'étan-

chéité et d'appui, fixé à l'arbre de commande avec lequel il tourne, et présentant une surface d'étanchéité et une surface d'appui, lesdites surfaces d'étanchéité étant en contact face contre face et lesdites surfaces d'appui étant également en

contact face contre face.

2. Joint selon la revendication 1, caractérisé en

ce que les surfaces d'étanchéité des premier et second orga-

nes d'étanchéité et les surfaces d'appui sont en métal.

3. Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second organe d'étanchéité est tubulaire, entoure l'arbre de commande et comprend une rondelle (101) de butée axiale qui présente l'une des deux surfaces d'étanchéité, une

bague (102) de retenue qui est fixée, par une première extré-

mité, à la rondelle, une garniture rotative (105) qui pré-

sente une surface d'étanchéité et une surface d'appui formées à une de ses extrémités, et des ressorts (104) montés entre

les autres extrémités de la bague de retenue et de la garni-

ture rotative afin de tendre à faire porter l'une contre

l'autre et face à face lesdites surfaces d'étanchéité.

4. Joint selon la revendication 3, caractérisé en -,ce que le premier organe d'appui est un siège (107) de butée

axiale qui est fixé au corps (26), le premier organe d'étan-

chéité étant une garniture fixe (106) fixée au corps.

5. Joint d'étanchéité aux fluides destiné à un appareil de forage en fond de puits comportant un arbre (11) de commande qui peut tourner par rapport à un corps tubulaire (26) associé, le joint étant caractérisé en ce qu'il comporte un premier d'organe d'appui fixé au corps, un premier organe

d'étanchéité fixé au corps, espacé longitudinalement du pre-

mier organe d'appui et présentant une surface d'étanchéité, et un second organe d'étanchéité et d'appui qui est fixé à l'arbre de commande afin de tourner avec lui, et qui présente une surface d'étanchéité et une surface d'appui, les surfaces d'étanchéité étant en contact face à face et les surfaces

d'appui étant également en contact face à face, l'arbre tour-

nant avec les organes d'étanchéité et cet arbre oscillant

sous lesdits organes.