FR2514070A1 - Electric rotary drilling tool - employs electromagnetic percussion assembly to apply impact forces to drill bit - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention se rapporte aux matériels destinés aux opérations de forage, tels que l'on en utilise dans les forages miniers ou pétroliers. The invention relates to equipment intended for drilling operations, such as that used in mining or oil drilling.
Dans ces travaux, il est utilisé un outil de forage animé d'un mouvement de rotation et recevant également des chocs destinés à provoquer la désagrégation du terrain au voisinage de l'outil, facilitant ainsi sa pénétration. In this work, a drilling tool is used which is rotated and also receives shocks intended to cause the disintegration of the ground in the vicinity of the tool, thus facilitating its penetration.
Pour des raisons d'efficacité, l'outil peut travailler dans un fluide de forage, injecté depuis la surface, qui assure l'évacuation des sédiments. Ce fluide peut être de l'air comprimé, de l'eau ou de la boue. For reasons of efficiency, the tool can work in a drilling fluid, injected from the surface, which ensures the removal of sediment. This fluid can be compressed air, water or mud.
Il est évident que le rendement de l'outil sera maximal si les dispositifs, assurant sa rotation et fournissant la percussion, se trouvent à proximité immédiate de l'outil. It is obvious that the performance of the tool will be maximum if the devices, ensuring its rotation and providing percussion, are in the immediate vicinity of the tool.
Ceci a amené à concevoir des dispositifs connus sous le nom de "fond de trou", qui reçoivent l'énergie nécessaire à leur fonctionnement depuis la surface, et dont les moyens de mise en rotation et de commande de percussion sont placés à l'intérieur d'un corps surmontant directement l'outil. This has led to the design of devices known as the "bottom of the hole", which receive the energy necessary for their operation from the surface, and whose means for rotating and controlling percussion are placed inside. of a body directly surmounting the tool.
Les dispositifs "fond de trou" dans lesquels la transmission de l'énergie depuis la surface est réalisée par des systèmes pneumatiques ne peuvent travailler sous de grandes immersions en raison des pertes de charge et des problèmes d'étanchéité ; il en est de m & e des systèmes hydrauliquesde transmission ; à quoi s'ajoute, dans les zones à climat froid, les risques de givrage pour l'air comprimé, et l'augmentation de la viscosité de l'huile pour les circuits hydrauliques. "Downhole" devices in which the transmission of energy from the surface is carried out by pneumatic systems cannot work under large immersions due to pressure drops and sealing problems; the same is true of hydraulic transmission systems; Added to this, in cold climate zones, the risk of icing for compressed air, and the increase in oil viscosity for hydraulic circuits.
Il existe également, dans les dispositifs du genre ici considéré, la nécessité de séparer l'énergie de frappe et de rotation,de l'énergie fluide utilisée pour la remontée des sédiments de forage. There is also, in the devices of the kind considered here, the need to separate the impact and rotation energy from the fluid energy used for raising the drilling sediments.
En résumé, les dispositifs actuellement connus posent des problèmes de mise en exploitation, liés à la nature de la source d'énergie qu'ils utilisent. In summary, the currently known devices pose operational problems, linked to the nature of the energy source that they use.
La présente invention vise à remédier à ces inconvé nients, en fournissant un équipement utilisant une source d'énergie nouvelle dans le domaine ici considéré, constituant la solution optimale pour le transport d'énergie à l'échelle des forages miniers ou pétroliers, soit à des profondeurs généralement comprises entre 100 et 6000 mètres, et ne présentant pas d'inconvénients pour une utilisation dans les zones à climat froid, tout en permettant i'emploi du fluide de forage le mieux adapté. The present invention aims to remedy these drawbacks by providing equipment using a new energy source in the field considered here, constituting the optimal solution for transporting energy on the scale of mining or petroleum drilling, ie depths generally between 100 and 6000 meters, and presenting no drawbacks for use in cold climate zones, while allowing the use of the most suitable drilling fluid.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de forage "fond de trou" avec système de rotation-percussion lié à un outil de forage, dans lequel ce système est composé d'un marteau électromagnétique comprenant une enclume solidaire de 11 outil de forage et une masse mobile suspendue élastiquement et venant frapper l'enclume; et d'un moto-réducteur électrique, disposé suivant l'axe du marteau au-dessus de celui-ci et accouplé à l'enclume par l'intermédiaire d'un arbre de transmission en matériau amagnétique traversant de part en part la masse mobile par un trou foré suivant l'axe de cette dernière, l'ensemble comprenant le marteau électromagnétique, le moto-réducteur électrique et les équipements électriques d'alimentation et de commande de ces derniers étant logé à l'intérieur d'un caisson extérieur tubulaire, dont la partie supérieure est raccordée à des moyens de liaison mécanique avec la surface, rigides en torsion de manière à compenser le couple de rotation de l'outil de forage solidaire de l'enclume précitée, ledit ensemble étant en outre relié à la surface par des conducteurs électriques d'alimentation et de commande. To this end, the subject of the invention is a "bottom of hole" drilling device with a rotation-percussion system linked to a drilling tool, in which this system is composed of an electromagnetic hammer comprising an anvil secured to the tool. drilling and a mobile mass suspended elastically and striking the anvil; and an electric geared motor, arranged along the axis of the hammer above it and coupled to the anvil by means of a non-magnetic material transmission shaft passing right through the moving mass by a hole drilled along the axis of the latter, the assembly comprising the electromagnetic hammer, the electric geared motor and the electrical supply and control equipment of the latter being housed inside a tubular external box , the upper part of which is connected to mechanical connection means with the surface, rigid in torsion so as to compensate for the torque of the drilling tool secured to the aforementioned anvil, said assembly being further connected to the surface by electrical supply and control conductors.
Le dispositif selon l'invention se caractérise donc par l'application de l'énergie électrique aux fonctions de rotation et de percussion d'un dispositif de forage "fond de trou", ces fonctions étant assurées respectivement
par un moto-réducteur électrique,de préférence à vitesse variable, et par un marteau électromagnétique, réunis en un ensemble compact qui surmonte 11 outil de forage et qui inclut également tout l'équipement électrique et électro nique du dispositif.The device according to the invention is therefore characterized by the application of electrical energy to the rotation and percussion functions of a "downhole" drilling device, these functions being provided respectively.
by an electric motor-reducer, preferably at variable speed, and by an electromagnetic hammer, united in a compact unit which surmounts the drilling tool and which also includes all the electrical and electronic equipment of the device.
Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, un passage de section annulaire est ménagé entre le caisson extérieur tubulaire et les carterset/ou parois cylindriques entourant le marteau électromagnétique, le moto-réducteur électrique et les équipements électriques d'alimentation et de commande de ces derniers, pour l'amenée d'un fluide de forage injecté en partie basse du dispositif dans l'outil de forage, solidaire de l'enclume, par au moins un orifice radial et un canal axial creusés dans ladite enclume. On ménage ainsi une circulation latérale de fluide de forage, avant que ce fluide soit ramené à la base du dispositif dans l'axe de ce dernier pour & re injecté dans l'outil de forage.Le passage annulaire précité peut avoir un simple rôle de conduit d'amenée du fluide de forage sous pression, auquel cas il suffit de prévoir un assemblage étanche des carters et/ou parois qui entourent le marteau, le moto-réducteur et les équipements électriques, ainsi que des joints d'étanchéité sur l'enclume pour isoler le fluide à l'entrée de celle-ci. Il existe également la possibilité d'utiliser le passage annulaire en question pour accélérer la circulation du fluide de forage, en y ajoutant une pompe de circulation du fluide de forage, entrainée par le-moteur du moto-réducteur électrique accouplé à l'snclume du marteau électromagnétique. According to a preferred embodiment of the invention, an annular section passage is provided between the tubular outer casing and the casings and / or cylindrical walls surrounding the electromagnetic hammer, the electric gear motor and the electrical supply and control equipment. of the latter, for supplying a drilling fluid injected into the lower part of the device into the drilling tool, integral with the anvil, by at least one radial orifice and an axial channel hollowed out in said anvil. A lateral circulation of drilling fluid is thus provided for, before this fluid is brought back to the base of the device in the axis of the latter for & re injected into the drilling tool. The abovementioned annular passage can have a simple role of pipe for supplying the pressurized drilling fluid, in which case it is sufficient to provide a sealed assembly of the casings and / or walls which surround the hammer, the gear motor and the electrical equipment, as well as seals on the anvil to isolate the fluid at the entrance thereof. There is also the possibility of using the annular passage in question to accelerate the circulation of the drilling fluid, by adding to it a pump for circulation of the drilling fluid, driven by the motor of the electric geared motor coupled to the anvil of the electromagnetic hammer.
Les moyens de liaison du dispositif de forage selon l'invention avec la surface peuvent être notamment constitués par un conduit flexible mais rigide en torsion, qui assure l'alimentation du dispositif en fluide de forage et qui incorpore,dans son enveloppe, les conducteurs électriques d'alimentation et de commande du système de rota tion- percussion. The means of connection of the drilling device according to the invention with the surface may in particular be constituted by a flexible but rigid torsional conduit, which supplies the device with drilling fluid and which incorporates, in its envelope, the electrical conductors supply and control of the rotation-percussion system.
Le dispositif objet de l'invention peut aussi être descendu dans le trou foré et relié à la surface au moyen de tiges rigides télescopiques, les conducteurs électriques d'alimentation et de commande du système de rotation-percussion étant séparés desdites tiges. The device which is the subject of the invention can also be lowered into the drilled hole and connected to the surface by means of rigid telescopic rods, the electrical supply and control conductors of the rotation-percussion system being separated from said rods.
Les moyens de liaison avec la surface peuvent être encore constitués par une c-haine du genre "chaîne de manutention", rigide en torsion, à laquelle est suspendu le dispositif, les conducteurs électriques d'alimentation et de commande du système de rotation-percussion étant séparés de ladite chaîne. The means of connection with the surface can also be constituted by a c-hate of the "handling chain" type, rigid in torsion, to which the device, the electrical supply and control conductors of the rotation-percussion system is suspended. being separated from said chain.
De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit; en référence au dessin schématique annexé represen-tant, à titre d'exemples non limitatifs, deux formes d'exécution de ce dispositif de forage "fond de trou"
Figure 1 est une vue d'ensemble, avec coupes partielles, diun premier dispositif de forage conforme à l'invention
Figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale et à échelle agrandie du dispositif de figure 1, montrant le détail du marteau électromagnétique
Figure 3 est une vue similaire à figure 1, illustrant une variante de ce dispositif, équipée d'une pompe de circulation du fluide de forage.In any case, the invention will be better understood with the aid of the description which follows; with reference to the appended schematic drawing represen-tant, by way of nonlimiting examples, two embodiments of this "bottom of hole" drilling device
Figure 1 is an overall view, with partial sections, of a first drilling device according to the invention
Figure 2 is a partial view in longitudinal section and on an enlarged scale of the device of Figure 1, showing the detail of the electromagnetic hammer
Figure 3 is a view similar to Figure 1, illustrating a variant of this device, equipped with a drilling fluid circulation pump.
Le dispositif de forage "fond de trou", représenté sur le dessin oll le repère 1 désigne la paroi de forage, comprend un caisson extérieur tubulaire Z, dont l'extrémité supérieure est fixée à un conduit flexible 3 assurant le raccordement du dispositif avec la surface. A la base du caisson Z se trouve l'outil de forage 4, qui est accouplé d'une part à un marteau électromagnétique désigné dans son ensemble par 5, et d'autre part à un moto-réducteur électrique 6 à vitesse variable, réalisant respectivement les deux fonctions de percussion et de rotation. La partie moteur 7 et la partie réducteur a du moto-réducteur 6 -sont disposées, suivant l'axe 9 du dispositif, au-dessus du marteau électromagnétique 5, et sont-logées dans un compartiment cylindrique 10 qui renferme en outre tout l'équipement électrique et électronique du dispositif, le compartiment 10 étant délimité par une paroi 11 coaxiale au caisson extérieur 2. The "bottom-of-hole" drilling device, shown in the drawing oll the reference 1 designates the drilling wall, comprises an external tubular box Z, the upper end of which is fixed to a flexible conduit 3 ensuring the connection of the device with the area. At the base of the box Z is the drilling tool 4, which is coupled on the one hand to an electromagnetic hammer designated as a whole by 5, and on the other hand to an electric motor-reducer 6 with variable speed, performing the two percussion and rotation functions respectively. The motor part 7 and the reducing part a of the geared motor 6 -are arranged, along the axis 9 of the device, above the electromagnetic hammer 5, and are housed in a cylindrical compartment 10 which also contains all of the electrical and electronic equipment of the device, the compartment 10 being delimited by a wall 11 coaxial with the external box 2.
Le marteau électromagnétique 5, dont la structure est bien visible sur la figure 2, comprend un circuit magnétique fixe avec un bobinage 12 entouré d'un blindage 13, une masse mobile suspendue élastiquement 14 constituant le noyau mobile, qui pénètre dans le bobinage 12 par l'extré- mité supérieure de celui-ci, et une pièce polaire 15 opposée au noyau mobile et constituant également l'enclume, qui pénètre dans le bobinage 12 par l'extrémité inférieure de ce dernier et qui est solidarisée avec l'outil de forage 4. Les éléments 12 à 15 du marteau électromagnétique 5 sont disposés dans des carters 16 et 17 convenablement assemblés, qui s'inscrivent dans le même cylindre que la paroi précitée 11. The electromagnetic hammer 5, the structure of which is clearly visible in FIG. 2, comprises a fixed magnetic circuit with a coil 12 surrounded by a shield 13, a movable mass elastically suspended 14 constituting the movable core, which penetrates into the coil 12 by the upper end of the latter, and a pole piece 15 opposite the movable core and also constituting the anvil, which enters the winding 12 by the lower end of the latter and which is secured to the tool drilling 4. The elements 12 to 15 of the electromagnetic hammer 5 are arranged in casings 16 and 17 suitably assembled, which fit into the same cylinder as the above-mentioned wall 11.
La masse mobile 14 présente, dans sa partie intermédiaire, une collerette 18 de part et d'autre de laquelle prennent appui, respectivement, deux ressorts hélicoïdaux 19 et 20 antagonistes. Le ressort inférieur 19 est comprimé entre la collerette 18 et une bague formant butée 21 située au niveau de la jonction des deux carters 16.et 17. The movable mass 14 has, in its intermediate part, a flange 18 on either side of which are supported, respectively, two helical springs 19 and 20 antagonistic. The lower spring 19 is compressed between the collar 18 and a ring forming a stop 21 situated at the junction of the two casings 16. and 17.
Le ressort supérieur 20 est comprimé entre la collerette 18 et une autre bague formant butée 22 située au sommet du carter supérieur 17.The upper spring 20 is compressed between the collar 18 and another ring forming a stop 22 located at the top of the upper casing 17.
La masse mobile 14 est forée d'un trou 23, suivant son axe 9 et sur toute sa longueur, pour permettre le passage d'un arbre de transmission 24 en matériau amagnétique, qui est fixé par son extrémité inférieure à l'en- clume 15, et dont l'extrémité supérieure est accouplée à la sortie du moto-réducteur électrique 6. The movable mass 14 is drilled with a hole 23, along its axis 9 and over its entire length, to allow the passage of a transmission shaft 24 of non-magnetic material, which is fixed by its lower end to the anvil 15, and the upper end of which is coupled to the outlet of the electric gear motor 6.
Le marteau électromagnétique 5 est plus particulièrement réalisable suivant le hrevet français N 2430827, tandis que le système électrique d'alimentation et de commande de ce marteau 5, logé avec la commande électrique du moto-réducteur 6 à vitesse variable dans le compartiment 10 au-dessus du moteur 7, est de préférence réalisé suivant le brevet français NO 2356483 et son addition NO 2425302. The electromagnetic hammer 5 is more particularly achievable according to the French hrevet N 2430827, while the electrical supply and control system of this hammer 5, housed with the electric control of the gear motor 6 at variable speed in the compartment 10 au- above the motor 7, is preferably produced according to French patent NO 2356483 and its addition NO 2425302.
Le conduit 3, flexible mais rigide en torsion, porte les conducteurs électriques 25 d'alimentation et de com mande du dispositif, incorporés. dans l'enveloppe dudit conduit 3, qui aboutissent dans le compartiment 10, et ce conduit flexible 3 véhicule lefluide de forage sous pression dans le sens de son arrivée au dispositif suivant les flèches 26. Pour permettre la circulation du fluide de forage, la partie basse du marteau électromagnétique 5 possède des perçages radiaux 27, situés en regard d'orifices radiaux 28 de l'enclume 15 qui débouchent dans un canal axial 29 de celle-ci.Le passage de fluide ainsi réalisé se trouve isolé des autres organes intérieurs du marteau 5 au moyen de joints d'étanchéité annulaires 30 qui entourent l'enclume 15, et plus généralement la construction et l'assemblage des differents éléments du dispositif caisson extérieur Z, conduit 3, marteau électromagnétique 5, moto-réducteur 6 et paroi 11, sont de type étanche. The conduit 3, flexible but rigid in torsion, carries the electrical conductors 25 for supplying and controlling the device, incorporated. in the envelope of said conduit 3, which terminate in compartment 10, and this flexible conduit 3 conveys the drilling fluid under pressure in the direction of its arrival at the device according to the arrows 26. To allow the circulation of the drilling fluid, the part bottom of the electromagnetic hammer 5 has radial holes 27, located opposite radial orifices 28 of the anvil 15 which open into an axial channel 29 thereof. The fluid passage thus produced is isolated from the other internal organs of the hammer 5 by means of annular seals 30 which surround the anvil 15, and more generally the construction and assembly of the various elements of the external box device Z, conduit 3, electromagnetic hammer 5, gear motor 6 and wall 11 , are of the waterproof type.
En cours de fonctionnement, le mouvement de rotation produit par le moto-réducteur 6 est transmis à l'enclume 15, donc à l'outil de forage 4 qui en est solidaire, par l'arbre 24. Simultanément, les chocs produits par la masse mobile 14 du marteau électromagnétique 5 sur l'enclume 15 seront également transmis par cette dernière pièce à l'outil de forage 4. Le fluide de forage, qui parvient au sommet du dispositif suivant les flèches 26, circule de haut en bas dans le passage de section annulaire 31 ménagé entre le caisson extérieur tubulaire 2, d'une part, et le corps central délimité par la paroi Il et par les carters 16 et 17, d'autre part. Parvenu à la base du dispositif, le fluide de forage pénètre, par les perçages 27 et les orifices 28, dans le canal 29 de l'enclume 15, pour être injecté axialement dans l'outil de forage 4. During operation, the rotational movement produced by the gear motor 6 is transmitted to the anvil 15, therefore to the drilling tool 4 which is integral therewith, by the shaft 24. Simultaneously, the shocks produced by the moving mass 14 of the electromagnetic hammer 5 on the anvil 15 will also be transmitted by this last part to the drilling tool 4. The drilling fluid, which reaches the top of the device according to the arrows 26, circulates from top to bottom in the passage of annular section 31 formed between the tubular outer box 2, on the one hand, and the central body delimited by the wall II and by the housings 16 and 17, on the other hand. Arrived at the base of the device, the drilling fluid penetrates, through the holes 27 and the orifices 28, in the channel 29 of the anvil 15, to be injected axially into the drilling tool 4.
Enfin, ce fluide remonte en passant entre le caisson extérieur 2 et la paroi de forage 1, en entraînant avec lui les sédiments de forage.Finally, this fluid rises by passing between the outer casing 2 and the drilling wall 1, carrying with it the drilling sediments.
La figure 3 montre une autre forme d'exécution de l'invention, dont toutes les parties non modifiées par rapport à la forme d'exécution précédemment décrite sont désignées par les mêmes repères et ne seront pas décrites une nouvelle fois. FIG. 3 shows another embodiment of the invention, all the parts of which have not been modified with respect to the embodiment described above are designated by the same references and will not be described again.
Dans cette autre forme d'exécution, il est prévu en outre une pompe 32 de circulation du fluide de forage, entraînée par le moteur électrique 7 du moto-réducteur 6, et placée entre ce moteur 7 et le réducteur 8 de manière à accélérer la circulation de fluide de forage passant dans le passage de section annulaire 31. In this other embodiment, there is further provided a pump 32 for circulation of the drilling fluid, driven by the electric motor 7 of the geared motor 6, and placed between this motor 7 and the reducer 8 so as to accelerate the circulation of drilling fluid passing through the annular section passage 31.
Comme il va de soi, l'invention ne-se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif de forage "fond de trou qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples ; elle en embrasse, au contraire, tout-es les variantes de réalisation conçues suivant les mêmes principes, quels qu'en soient les divers détails constructifs ou les équipements annexes. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention en remplaçant le conduit flexible 3,incluant les conducteurs électriques 25
- soit par des tiges rigides télescopiques, compensant le couple de rotation de l'outil de forage 4, les conducteurs électriques étant dans ce cas séparés des tiges
- soit par une chaîne de suspension, du type "chaîne de manutention, souple dans le sens de l'enroulement mais rigide en torsion pour assurer également la compensation du couple de rotation de l'outil 4, les conducteurs électriques étant alors séparés de la chaîne. It goes without saying that the invention is not limited to the sole embodiments of this "downhole" drilling device which have been described above, by way of example; on the contrary, it embraces it. all of the variant embodiments designed according to the same principles, whatever the various constructive details or the ancillary equipment. replacing flexible conduit 3, including electrical conductors 25
- Either by rigid telescopic rods, compensating for the torque of the drilling tool 4, the electrical conductors being in this case separated from the rods
- Either by a suspension chain, of the "handling chain" type, flexible in the winding direction but rigid in torsion to also compensate for the torque of tool 4, the electrical conductors then being separated from the chain.
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Also Published As
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|---|---|
| FR2514070B1 (en) | 1984-05-11 |
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