FR2634515A1 - Dispositif d'absorption controlee des forces axiales et de torsion sur un train de tiges de forage - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif comprend une enveloppe extérieure 16 solidaire, à son extrémité supérieure, du train de tiges 12, cette enveloppe extérieure comportant une ouverture axiale 22 ménagée à son extrémité inférieure, un ensemble de mandrin intérieur 18 sur l'extrémité inférieure duquel sont fixés les moyens de coupe de formation 14-20 et qui comporte un passage axial de fluide 26 destiné à l'envoi contrôlé d'un fluide de forage du train de tiges aux moyens de coupe de formation, cet ensemble intérieur étant logé de manière télescopique dans l'enveloppe extérieure de façon que l'extrémité inférieure de cet ensemble traverse l'ouverture axiale 22 de l'enveloppe extérieure, des pistons supérieur 32 et inférieur 34 prévus sur l'ensemble intérieur et destinés à venir en contact étanche sur une surface intérieure 24 de l'enveloppe extérieure 16, ces pistons délimitant entre eux une chambre fermée de fluide 56-58-60, et un ensemble de rétraction de couple 50 disposé à l'intérieur de la chambre de fluide entre les pistons supérieur et inférieur, cet ensemble de rétraction de couple étant destiné à absorber les forces de torsion associées au train de tiges.
Description
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La présente invention concerne des dispositifs d'amortissement de choc destinés à être utilisés dans des trains de tiges de forage et plus particulièrement un dispositif conçu pour assurer une régulation de la force appliquée au trépan dans des trous, tant verticaux que déviés, par absorption et découplage des vibrations axiales et des forces de torsion
agissant sur le train de tiges.
Des forces axiales et de torsion de grande intensité, qui sont introduites dans l'ensemble de forage au cours des opérations de forage, peuvent provoquer un endommagement et une usure des éléments constitutifs au train de tiges de forage, y compris le trépan et les divers dispositifs de mesure. On peut trouver de telles forces tant dans le forage vertical classique que dans le forage sous grand angle, dans lequel la position du trépan est critique. Par ailleurs, au cours des opérations de forage, il apparalt diverses conditions qui entraînent un effort de torsion ou un effort axial dans l'ensemble de forage. Une roche dure et des formations de terre collante peuvent provoquer l'application de forces axiales et de torsion de grande intensité sur le train de tiges de forage. L'utilisation de trépans à lame en forme de cuiller ou de trépans coniques à molettes peut provoquer des vibrations axiales dans les opérations de forage vertical. Dans les trous déviés, les forces de frottement existant entre la tige de forage et le trou peuvent engendrer des forces de torsion, ce qui permet ainsi difficilement de déterminer la position du trépan et d'exercer un contrôle sur elle. Dans chacun de ces cas, la libération inattendue de ces forces dans le train de tiges de forage peut amener l'ensemble de fond
de trou à heurter violemment le fond du trou de forage.
On a mis au point divers dispositifs qui amortissent ou absor-
bent les chocs verticaux ou axiaux appliqués sur le train de tiges de forage par l'intermédiaire du trépan. De tels sous-ensembles d'absorption de choc peuvent utiliser des ressorts mécaniques, des rondelles élastiques ou des chambres hydrauliques, en vue d'amortir ou limiter un déplacement relatif entre un mandrin intérieur et une enveloppe extérieure. D'une manière typique, cette enveloppe extérieure est reliée à l'ensemble de fond de trou. Un couple de rotation peut être transmis du train supérieur de
tiges au trépan par une série de cannelures longitudinales rendant l'enve-
loppe solidaire du mandrin. Bien que les sous-ensembles d'absorption de choc connus par le passé soient capables de dissiper de faibles chocs ou efforts d'une très courte durée et d'une très grande intensité, de tels dispositifs ne sont pas totalement satisfaisants en ce qui concerne l'absorption des forces, axiales et de torsion rencontrées par le train de tiges. De plus, de tels outils ne fournissent aucun moyen permettant d'exercer un contrôle sur le poids appliqué sur le trépan, en vue de déterminer d'une manière précise la position de ce trépan par rapport au
fond du trou.
Outre des efforts verticaux de choc, il est connu que les trains de tiges de forage sont soumis à des forces de torsion résultant de la rotation du train de tiges. De telles forces peuvent provenir d'un arrêt brusque du train de tiges de forage rotatif en raison d'un arrêt imprévu du trépan ou, sur une plus longue période de temps, sous l'effet du frottement
dans des trous déviés ou dans des moteurs utilisés avec des tubes de pro-
duction en spirale. Des tentatives ont été faites pour dissiper de tels efforts radiaux de choc en transférant ces efforts sous la forme d'une composante verticale qui est absorbée par le sous-ensemble de choc du dispositif. De la sorte, c'est le même ensemble qui doit dissiper des chocs à la fois radiaux et verticaux qui peuvent s'appliquer de tous côtés sur l'outil et entraîner une défaillance, en provoquant un endommagement du train de tiges. Par ailleurs, de tels outils ne fournissent pas des moyens permettant d'exercer un contrôle sur le poids appliqué sur le trépan, en
vue de positionner ce trépan dans le trou.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des ensembles de train de tiges de forage en fournissant un dispositif capable d'assurer l'application contrôlée d'une force sur le trépan tant dans les trous verticaux que les trous déviés, tout en découplant les vibrations axiales par rapport aux forces de torsion agissant sur le train
de tiges au cours des opérations de forage.
La présente invention sert à atténuer les vibrations induites par les trépans dans le forage classique, à permettre d'exercer un contrôle sur la position du trépan dans le forage sous grand angle et à absorber les forces de torsion associées au forage à tubes de production en spirale et à d'autres opérations plus classiques de forage. D'une manière générale, l'appareiJ mettant en oeuvre-la présent- invention comprend une enveloppe extérieure solidaire, à son extrémité supérieure, du train de tiges de
forage et un ensemble de mandrin intérieur logé d'un1emaie 'ipliscqp à l'inté-
rieur de cette enveloppe. Cet ensemble de mandrin intérieur est accouplé, à son extrémité inférieure, à l'ensemble de fond de trou ou au trépan et comprend un passage axial de fluide communiquant avec le passage de fluide du train de tiges, afin de fournir un moyen contrôlé d'envoi de fluides de
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forage au trépan. Une buse interchangeable de régulation be pression, disposée au sommet de l'ensemble de mandrin intérieur permet d'exercer un
contrôle sur le poids appliqué sur le trépan.
L'ensemble télescopique intérieur comprend des pistons supérieur et inférieur qui délimitent entre eux une chambre annulaire de fluide, tout en assurant un support radial de cet ensemble à l'intérieur de l'enveloppe extérieure. Le piston supérieur qui est en appui étanche sur la paroi Ge l'enveloppe est directement affecté par la pression de fluide régnant à l'intérieur de cette enveloppe. Le piston inférieur est affecté par la
pression de fluide régnant dans l'annulus extérieur qui entoure l'outil.
Des butées supérieure et inférieure limitent le mouvement axial de l'ensem-
ble intérieur par rapport à l'enveloppe extérieure. L'ensemble intérieur comprend en outre un ensemble de rétraction de couple qui est disposé entre
les pistons supérieur et inférieur et est formé par deux surfaces à décou-
pe hélicoïdale s'épousant l'une l'autre. Un jeu est prévu entre ces surfaces hélicoïdales, afin d'assurer, entre les chambres supérieure et inférieure, un trajet d'écoulement constituant une partie de la chambre intérieure de fluide. L'ensemble hélicoïdal de rétraction de couple permet de séparer les forces de torsion des forces axiales et de déplacer le trépan vers le fond du trou ne façon à assurer un forage continu. Les surfaces hélicoïdales servent aussi de cannelures pour transférer le mouvement de rotation du train de tiges de forage - au trépan. Il peut aussi être prévu un ressort mécanique pour fournir un supplément à la force
appliquée vers le bas sur le trépan.
Suivant une première réalisation conforme à l'invention, il est prévu un dispositif d'absorption contrôlée de forces axiales et de torsion associées aux efforts ce travail de forage appliqués sur un train de tiges de forage, ce dispositif étant destiné à être monté en série sur le train de tiges pour le relier à des moyens de coupe de formation, ce dispositif comprenant: une enveloppe extérieure solidaire, à son extrémité supérieure, du train de tiges, cette enveloppe extérieure comportant une ouverture axiale Us.agée à son extrémité inférieuz, un ensemble de mandrin intérieur sur l'extrémité inférieure duquel sont fixés les moyens de coupe de formation et qui comporte un passage axial de fluide destiné à l'envoi contrôlé d'un fluide de forage du train de tiges aux moyens de coupe de formation, cet ensemble intérieur étant logé de manière télescopique dans l'enveloppe extérieure de façon que l'extrémité inférieure de cet ensemble traverse l'ouverture axiale de l'enveloppe extérieure,
des pistons supérieur et inférieur prévus sur l'ensemble inté-
rieur et destinés à venir en contact étanche sur une surface intérieure de l'enveloppe extérieure, ces pistons délimitant entre eux une chambre fermée de fluide, et un ensemble de rétraction de couple disposé à l'intérieur de la chambre de flulue entre les pistons supérieur et inférieur, cet ensemble de rétraction de couple étant destiné à absoroer les forces de torsion
associées au train de tiges.
Suivant une autre réalisation conforme à l'invention, il est prévu un oispositif d'absorption contrôlée de forces axiales et de torsion associées aux efforts de travail de forage appliqués sur un train de tiges de forage, ce dispositif étant destiné à être monté en série sur un train ce tiges comprenant un ensemble de fond de trou comportant un trépan, ce dispositif comprenant: une enveloppe extérieure solidaire, à son extrémité supérieure, du train de tiges, cette enveloppe extérieure comportant une ouverture axiale ménagée à son extrémité inférieure, un ensemble de mandrin intérieur sur l'extrémité inférieure duquel est fixé l'ensemble de fond de trou, cet ensemble intérieur étant logé de manière télescopique dans l'enveloppe extérieure de façon que l'extrémité inférieure de cet ensemble traverse l'ouverture de fond de l'enveloppe extérieure, cet ensemble intérieur comprenant: un passage axial de fluide permettant l'envoi contrôlé -de fluides de forage du train de tiges à l'ensemble de fond de trou et au trépan, ce passage axial de fluides comportant, montée à son extrémité supérieure, une buse interchangeable de régulation de pression permettant de faire varier la pression de fluide fournie à l'ensemble de fond de trou, des pistons supérieur et inférieur destinés à venir en contact étanche sur une surface intérieure de l'enveloppe extérieure, ces pistons délimitant entre eux une chambre fermée de fluide, le piston supérieur étant exposé à la pression de fluide de forage provenant du train de tiges et le piston inférieur étant exposé à la oression de fluide de fond de trou environnante par l'intermédiaire de l'ouverture de fond de l'enveloppe extérieure, ces pistons servant à absorber les forces axiales de charge associées au train-aoe tiges, un ensemble de rétraction de couple destiné à absorber les forces de charge de torsion associées au train de tiges et disposé à
l'intérieur de la chambre de fluide entre les pistons supérieur et infé-
rieur, cet ensemble de rétraction de couple comprenant une pièce extérieure comportant une surface à découpe hélicoïdale offrant une configuration de surface sensiblement sinusoïdale, cette pièce extérieure formant la surface intérieure de l'enveloppe extérieure et une pièce intérieure, épousant la précédente, qui comporte une surface à découpe hélicoïdale épousant celle
de la pièce extérieure et présentant une configuration de surface sensible-
ment sinusoïdale, cette pièce intérieure formant la surface extérieure de
l'ensemble de mandrin intérieur entre les pistons supérieur et inférieur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor-
tiront de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif et
en regard des dessins annexés sur lesquels, des chiffres de référence iden-
tiques désignent des parties identiques sur les différentes vues: la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif conforme à la présente invention,
la figure 2 est une vue en coupe longitudinale de ce dispositif-
en position totalement déployée, la figure 3 est une vue en coupe longitudinale de ce dispositif dans un état comprimé, la figure 4 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 4-4 de la figure 1 et la figure 5 est une vue en coupe de variantes de réalisation de
la buse de régulation de pression utilisée dans la présente Invention.
Ces dessins représentent un dispositif i0 mettant en oeuvre la présente invention et permettant l'aDsorption contrôlée tant des forces axiales que des forces de torsion associées aux efforts de travail de forage appliqués sur un train de tiges. Ce dispositif 1U est solidaire de
l'extrémité inférieure d'un train de tiges de forage 12 et il est de préfé-
rence fixé à l'extrémité inférieure du train, du ta 14 permettant de former des trous de forage verticaux ou déviés. En variante, on peut disposer un ensemble de fond de trou (EFT) dans le train de tiges de forage, soit juste au-dessus, soit juste au-dessous du dispositif 10, ce qui sert à isoler les vibrations et autres efforts par rapport aux instruments sensibles de l'ensemble de fond de trou. Le dispositif lU mettant en oeuvre la présente invention est extrêmement utile dans- les techniques de forage classiques pour lesquelles on vise à atténuer des vibrations intenses provoquées par des trépans à lame en forme de cuiller ou les vibrations axiales intenses provoquées par des trépans coniques à molettes. On utilise toutefois aussi cet appareil 1U dans le forage de trou sous grand angle ou dévié pour lequel il est difficile de déterminer la position du trépan dans le trou et d'exercer un contrôle sur elle en raison des forces de frottement existant
entre le tube de production et le trou. Un tel frottement peut être provo-
qué par un rayon serré de déviation ou simplement par le fait que l'ensem-
ble du train de tiges de forage présente de la résistance à l'avancement dans le trou, ce qui peut amener cet ensemble à exercer une compression lorsqu'un poids est appliqué sur le train de tiges. Dans encore une autre application, on peut utiliser le dispositif 10 avec des tubes de production
en spirale qui sont sujets à des forces notables de torsion.
Si on se reporte maintenant aux figures 1 à 3, le dispositif 10
comprend d'une manière générale une enveloppe extérieure 16 qui est soli-
daire, à son extrémité supérieure, du train de tiges de forage 12 et un ensemble de mandrin intérieur 18 qui est logé de manière télescopique à l'intérieur de cette enveloppe extérieure 16 et sur lequel est monté, à son
extrémité inférieure, un trépan 14 fixé sur une boite de trépan 20. L'enve-
loppe extérieure 16 comporte, ménagée à son extrémité inférieure, une ouverture axiale 22 que traverse le mandrin intérieur 1. Toutefois, cette ouverture 22 est assez large pour permettre aux fluides de fond de trou de
s'écouler dans l'enveloppe 16 de façon à fournir une pression à effet anta-
goniste comme cela sera décrit par la suite. L'enveloppe extérieure 16
offre une configuration sensiblement cylindrique analogue à la configu-
ration du train de tiges 12, en présentant une surface intérieure cylin-
drique 24 destinée à recevoir de manière télescopique l'ensemble de mandrin
intérieur 18.
Si on se reporte aux figures 2 à 4, l'ensemble de mandrin inté-
rieur 18 comporte un passage axial de fluide 26 destiné à assurer une communication de fluide entre le train de tiges 12 et le trépan 14 afin d'envoyer du fluide de forage permettant au trépan 14 de travailler. Ce passage de fluide 26 est plus petit que le passage intérieur du train de tiges 12 et offre donc aux fluides de forage un écoulement étranglé à
destination du trépan 14. Une buse de régulation de pression ou d'écou-
lement 28 est montée à l'extrémité supérieure du passage 26 de façon à assurer un étranglement contrôlé de l'écoulement de fluide à travers ce passage 26 et à créer ainsi une pressior statique connue P1 sur la largeur du dessus de l'ensemble de mandrin 18. Dans un mode de réalisation de la présente invention, cette buse de régulation 28 est interchangeable de
façon à faire varier le passage de restriction 30 formé à l'extrémité supé-
rieure du passage de fluide 26. Outre la buse de régulation 28 représentée à la figure 2, la figure 5 représente des variantes de buses de régulation 28' et 28" qui peuvent être utilisées sous des conditions différentes. Ces buses 2d' et 28" offrent chacune des orifices différents de restriction 3u' et 3u". Quelle que soit la configuration de buse qui est utilisée, la pression statique Pi régnant sur la largeur au dessus de l'ensemble de mandrin intérieur lu peut être calculée et est donc connue. Dans encore un autre mode de réalisation, la buse interchangeable 2b peut être remplacée par un ensemble à orifice variaole qu'on pourrait faire varier au moyen d'une tringlerie de soupape fixée sur l'enveloppe 16 ou d'une soupape commandée par un système d'évaluation de formation de fond de trou. De cette manière, on pourrait ajuster de manière continue l'orifice de restriction 3U de façon à accroître la résistance à l'écoulement et donc la pression P1 exercée sur l'ensemble du mandrin intérieur 18enrqse à des
conditions différentes de fond de trou. Avec l'un ou l'autre mode de réali-
sation, une pression connue de fluide PI' est produite h l'intérieur du passage de fluide 26, ainsi qu'une pression connue de fluide P2 sur
l'étendue du trépan 14.
L'ensemole de mandrin intérieur 18 comprend en outre un piston supérieur 32 et un piston inférieur 34 qui viennent en contact étanche avec la surface intérieure 24 de l'enveloppe extérieure 16. De préférence, cette enveloppe extérieure 16 comporte une chemise supérieure de cylindre 36 et une chemise inférieure de cylindre 3b disposées à l'intérieur de cette enveloppe 16 de façon h constituer des cylindres pour les pistons 32 et 34. En vue d'assurer un contact étanche entre les surfaces respectives des pistons et des parois de cylindre, les pistons 32 et 34 peuvent être pourvus de joints toriques 4U. De cette manière, les pistons supérieur et inférieur délimitent à l'intérieur de l'enveloppe 16 une chambre qui est isolée de manière étanche du fluide de forage, fourni en traversant le train de tiges 12, et des fluides environnants situés à l'intérieur du trou. Tandis que le fluide forage exerce une pression PI sur le piston supérieur 32, le fluide de fond de trou, auquel il est permis de s'écouler dans l'enveloppe 16 par l'ouverture 22, exerce une pression de fluide P3 sur le piston inférieur 34. En plus de la délimitation de la chambre intérieure, les pistons et les chemises de cylindre coopèrent pour assurer un support radial de l'ensemble de man,-in intérieur 18 à l'intérieur de
l'enveloppe 16.
Il est prévu, disposé b l'intérieur de la chambre de l'enveloppe 16 qui est délimitée par les pistons supérieur et inférieur, un ensemble de rétraction de couple 5U destiné à isoler les forces de torsion associées à l'opération de forage. Cet ensemble de rétraction de couple 5U comprend d'une manière générale une pièce extérieure 52 dans laquelle est logée, de façon à en épouser la forme, une pièce intérieure 54. Dans un mode préféré de réalisation de la présente invention, cette pièce intérieure 54 fait partie intégrante de l'ensemble de mandrin intérieur 18 réalisé entre les pistons 32 et 34 et que traverse le passage de fluide 26. D'une manière analogue, dans un moue préféré de réalisation, la pièce extérieure 52 se présente sous la forme d'un manchon sensiblement tubulaire qui est collé sur la surface intérieure 24 de l'enveloppe 16 entre les chemises de cylindre 3o et 38. Suivant encore un autre mode de réalisation, la pièce extérieure 52 peut être collée sur une chemise cylindrique en acier qui est
elle-même fixée sur la surface intérieure 24 de l'enveloppe 16.
Les pièces intérieure et extérieure de l'ensemble de rétraction de couple 50 sont pourvues de surfaces profilées s'épousant qui présentent des surfaces à découpe hélicoïdale s'épousant. Ces surfaces sont formées
par une série de courbes sans aspérité qui forment une configuration sensi-
blement sinusoïdale en section transversale. Les surfaces hélicoïdales à plusieurs filets peuvent comporter un nombre quelconque d'hélices compris entre six et douze, ces hélices étant réalisées en parallèle et offrant un angle d'hélice compris entre 3U et 8U', de préférence d'approximativement 6 , afin de donner l'assurance que l'hélice a toujours une composante dirigée vers le haut. Si l'angle d'hélice est trop plat, il faudra une force verticale d'une intensité considérable pour provoquer le mouvement télescopique. Si l'angle est trop raide, le coulissement entre les éléments ne se fera pas d'une manière contrôlée. En raison des surfaces hélicoïdales s'épousant de la pièce intérieure 54 et de la pièce extérieure 52, l'une de ces pièces doit être réalisée en une matière élastomère, tandis que l'autre est réalisée en métal de façon à permettre une certaine élasticité. Dans un mode préféré de réalisation, la pièce extérieure en forme de manchon 52 est réalisée en élastomère, tandis que l'intégrité de l'ensemble de mandrin intérieur 18 est maintenue en le fabriquant en métal. De plus, les pièces 52 et 54 de l'ensemble de rétraction de couple offrent un jeu coulissant de façon à permettre au fluide lubrifiant disposé à l'intérieur de la chambre
de s'écouler entre les surfaces hélicoïdales.
L'ensemble de rétraction de -tuple 50 divise la chambre inté-
rieure, délimitée par les pistons 32 et 34, en une chambre supérieure de fluide 56 et une chambre inférieure de fluide 58. Plusieurs passages de fluide 60 sont prévus afin de permettre une communication de fluide entre les chambres supérieure et inférieure de fluide, en plus du jeu coulissant prévuL entre la pièce intérieure 54 et la pièce extérieure 52. Dans un mode préféré de réalisation, ces passages de fluide 60 sont parallèles aux
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surfaces à découpe hélicoïdale de l'ensemble de rétraction de couple 50 et sont réalisés en augmentant la profondeur de la yorge située entre les
hélices de la pièce intérieure 54 de cet ensemble de rétraction de couple.
En variante, ou de façon à offrir un complément au transfert de fluide existant entre les chambres inférieure et supérieure, un passage de fluide de dérivation peut être prévu à travers la pièce intérieure 54. Ainsi, lorsque l'ensemble de mandrin intérieur 18 se déplace à l'intérieur de l'enveloppe extérieure 16, le fluide lubrifiant sera transféré entre la chambre supérieure 56 et la chambre inférieure 58 de façon à amortir
hydrauliquement le mouvement de l'ensemble intérieur 8lb.
En vue de limiter le déplacement de l'ensemble de mandrin
intérieur 18 à l'intérieur de l'enveloppe 16, il est prévu une butée supé-
rieure 6Z et une butée inférieure 64 destinées à venir sélectivement au contact au piston correspondant et à s'opposer ainsi à tout déplacement supplémentaire. De plus, un ressort supplémentaire de compression 66 peut être prévu afin d'appliquer une force supplémentaire vers le bas sur
l'ensemble de mandrin intérieur 18 en vue d'empêcher un déplacement téles-
copique. Ce ressort 66 peut être utilisé pour empêcher un déplacement sur toute l'étendue de la course de l'ensemble de mandrin lb à l'intérieur de
l'enveloppe lb ou seulement vers l'étendue limitative du déplacement.
Le dispositif lU de la présente invention fonctionne de -façon à absorber ou isoler les forces de torsion associées à un travail de forage, par rapport aux forces axiales associées à ce travail de forage. Ces forces axiales sont par exemple dues au fait que le trépan 14 heurte le fond du
trou, alors que les forces de torsion peuvent être provoquées par une rota-
tion non synchrone du trépan et du train de tiges. Les différences de pres-
sion de fluide à l'intérieur du train de tiges 12 et du dispositif IU non seulement amortissent les forces appliquées sur le trépan ou ont un effet antagoniste à leur égard, mais déterminent aussi le poids appliqué sur le trépan 14, poids qui détermine la force de forage de ce trépan. La pression statique Pl appliquée sur l'étendue du piston supérieur 32 et sur le dessus de l'ensemble de mandrin intérieur 18 est proportionnelle au carré du débit de fluide qui est directement proportinnel à la densité spécifique du fluide de forage et qui est augmenté par la viscosité de ce fluide de forage. Etant donné que la pression statique régnant à la partie supérieure du trou est une fonction de la chute de pression à l'endroit du trépan de forage, le polos appliqué sur ce trépan peut se déterminer aisément. La force approchée de pression est une fonction de la pression d'entrée PI de la buse de régulation 28 diminuée de la chute de pression Pl' entre les i0) deux côtés de cette buse de régulation 28 et de la chute de pression PZ sur l'étendue du trépan. La chute de pression P3 dans l'annulus extérieur agit
vers le haut sur le piston inférieur 34 de façon à contrebalancer une par-
tie de la pression de fluide Pi régnant à l'intérieur du train de tiges 12.
D'une manière typique, avant le commencement du forage, la force hydrostatique du fluide de forage déploit entièrement le dispositif lU de façon que le piston inférieur 34 vienne au contact de la butée inférieure 64, ainsi que cela est représenté à la figure 2. Dans cette position, la cnambre inférieure de fluide 58 contient une plus grande proportion du fluide lubrifiant que id chambre supérieure de fluide 56. Lorsque le trépan 14 atteint la formation, la force, dirigée vers le haut, appliquée par cet outil de forage va faire se déplacer l'ensemble intérieur 18 à l'intérieur de l'enveloppe 16, à l'encontre de la pression de fluide Pl, de l'effet d'amortissement du fluide passant, de manière forcée, par les passages 6U,
de la chambre inférieure 5b vers la chambre supérieure 56, et de l'inter-
action des surfaces hélicoïdales coopérantes de la pièce extérieure 52 et de la pièce intérieure 54. Il est important que ces surfaces hélicoïdales prévues sur l'ensemble de rétraction soient dans le sens horaire, de façon que, lorsqu'on fait tourner le train de tiges, le dispositif 1U repousse le trépan 14 vers le fond du trou. L'hélice disposée dans le sens horaire
provoque une réaction de l'ensemble intérieur lb vers le haut qui est immé-
diatement compensée, ce qui donne ainsi l'assurance que le trépan 14 est en
contact constant avec la formation et, d'autre part, élimine un accrois-
sement de force dont la libération peut amener le trépan à heurter violem-
ment le fond du trou. Le dispositif IU de la présente invention assure l'application contrôilée d'une force-préfixée de forage en absorbant les forces axiales et de torsion associées à l'opération de forage. Du fait que l'invention offre un procédé perfectionné permettant d'exercer un contrôle
sur le poids appliqué sur le trépan, tout en absorbant les forces asso-
ciées, la durée utile de vie de l'équipement de forage, plus particulié-
rement de l'appareillage sensible, tel que l'ensemble de fond de trou, l'unité de mesure en cours de forage ou même le trépan lui-même, se trouve prolonge.
Claims (17)
1. Dispositif lu) d'absorption contrôlée de forces axiales et de torsion associées aux efforts de travail de forage appliqués sur un train de tiges de forage (12), ce dispositif (10) étant destiné à être monté en série sur le train de tiges (12) pour le relier à des moyens de coupe de formation (14-2u), ce dispositif (lu) comprenant:
une enveloppe extérieure (16) solidaire, à son extrémité supé-
rieure, du train de tiges (12), cette enveloppe extérieure (16) comportant une ouverture axiale (Z2) ménagée à son extrémité inférieure, un ensemble de mandrin intérieur (lu) sur l'extrémité inférieure duquel sont fixés les moyens de coupe de formation (14-20) et qui comporte un passage axial de fluide (26) destiné à l'envoi contrôlé d'un fluide de forage du train de tiges (12) aux moyens de coupe de formation (14-Z1), cet ensemble intérieur (lô) étant logé de manière télescopique dans l'enveloppe extérieure (16à de façon que l'extrémité inférieure de cet ensemble (lb)
traverse l'ouverture axiale (22) de l'enveloppe extérieure (16),.
des pistons supérieur (32) et inférieur (34) prévus sur l'ensem-
ble intérieur (ld) et destinés à venir en contact étanche sur une surface
intérieure (24) de l'enveloppe extérieure (16), ces pistons (32, 34) déli-
mitant entre eux une chambre fermée de fluide (56-58-bu),
et un ensemble de rétraction de couple (5J) disposé à l'inté-
rieur de la cnamore de fluide (56-58-6U) entre les pistons.supérieur (32) et inférieur (34), cet ensenale de rétraction de couple (50) étant destiné
à absorber les forces de torsion associées au train de tiges (12).
2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de rétraction de couple (Sd) comprend deux pièces hélicoïdales s'épousant (52, 54), la pièce hélicoïdale extérieure (52) formant la
surface intérieure (24) de l'enveloppe extérieure (lo) et la pièce hélicoï-
dale intérieure (54) formant la surface extérieure de l'ensemble de mandrin intérieur (18) entre les pistons supérieur (32) et inférieur (34), cet
ensemble de rétraction de couple (50) divisant la chambre de fluide (56-
b-bU) en une chamDre supérieure de fluide (56) et une chambre inférieure
de fluide (58).
3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de rétraction de couple (50) comporte au moins un passage de
fluide (6u) ménagé entre les pièces hélicoïdales intérieure (54) et exté-
rieure (52) de façon à assurer une communication de fluide entre les
chambres supérieure (56) et inférieure (58) de fluide.
4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les deux pièces hélicoïdales s'épousant (52, 54) comportent des surfaces à
découpe hélicoïdale à plusieurs filets, s'épousant et présentant une confi-
guration de surface sensiblement sinusoïdale.
5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'ensemble de rétraction de couple (50) comporte plusieurs passages de fluide (6u) ménagés parallèlement aux surfaces à découpe hélicoïdale des
pièces hélicoïdales (52, 54).
6. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'une (52) des deux pièces hélicoïdales s'épousant (52, 54) est réalisée en
une matière élastomère.
7. Dispositif suivant la revendication Z, caractérisé en ce que la pièce hélicoïdale extérieure (52) comporte une structure sensiblement
tubulaire collée sur la surface intérieure de l'enveloppe extérieure (16).
d. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe extérieure (16) comporte une première chemise de cylindre (36) destinée à venir en contact étanche avec le piston supérieur (32) et une seconde chemise de cylindre (38) destinée à venir en contact étanche avec le piston inférieur (34), ces chemises de cylindre (36, 38) étant montées sur la surface intérieure de l'enveloppe extérieure (16), 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que
l'enveloppe extérieure (16) comporte des butées supérieure (b2) et infé-
rieure (64) qui sont destinées à venir en contact d'une manière sélective avec les pistons supérieur (32) et inférieur (34) en vue de limiter le
déplacement télescopique de l'ensemble de mandrin intérieur- (18) à l'inté-
rieur de l'enveloppe (16).
lU. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une buse de régulation de pression (2b) montée sur
l'extrémité supérieure du passage axial de fluide (26) prévu dans l'ensem-
ble de mandrin intérieur (18), cette buse (28) assurant une régulation de l'alimentation en fluide de forage, à destination des moyens de coupe de formation (14-2U), et donc de la pression de fluide appliquée sur le piston
supérieur (32).
11. Dispositif suivant la re-endication 10, caractérisé en ce que la buse de régulation de pression (28) est interchangeable de façon à faire varier l'alimentation en fluide de forage, à destination des moyens de coupe de formation (14-2U), et la pression de fluide s'exerçant sur le
piston supérieur (32).
12. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le passage de fluide (30) de la buse de régulation de pression (28)
peut comporter un étranglement Ge valeur variable.
13. Dispositif suivant la revendication -10, caractérisé en ce que les moyens de coupe de formation (14-20) comprennent un ensemble de trépan (14) fixé sur l'extrémité du mandrin intérieur (16), le passage de fluide (26) alimentant ce trépan (14) en fluide de forage. 14. Dispositif (lu) d'absorption contrôlée de forces axiales et de torsion associées aux efforts de travail de forage appliqués sur un train de tiges de forage (1Z), ce dispositif (10) étant destiné à être monté en série sur un train de tiges (12) comprenant un ensemble de fond de trou comportant un trépan, ce dispositif (10) comprenant:
une enveloppe extérieure (16) solidaire, à son extrémité supé-
rieure, du train de tiqes (12), cette enveloppe extérieure (16) comportant une ouverture axiale (22)ménagée à son extrémité inférieure, un ensemble de mandrin intérieur (1l) sur l'extrémité inférieure duquel est fixé l'ensemble de fond de trou, cet ensemole intérieur (18) étant logé de manière télescopique dans l'enveloppe extérieure (16) de façon que l'extrémité inférieure de cet ensemble (18) traverse l'ouverture de fond (22) de l'enveloppe extérieure (16), cet ensemole intérieur (18) comprenant: un passage axial de fluide (26) permettant l'envoi contrôlé de fluides de forage ou train de tiges (12)à l'ensemole de fond de trou et au trépan (14), ce passage axial de fluides (2b) comportant, montée à son extrémité supérieure, une buse interchangeable de régulation de pression (2ô) permettant de faire varier la pression de fluide fournie à l'ensemble de fond de trou, des pistons supérieur (32) et inférieur (34) destinés à venir en contact étanche sur une surface intérieure (24) de l'enveloppe extérieure (16), ces pistons (3Z, 34) délimitant entre eux une chambre fermée de fluide (56-58-60), le piston supérieur (32) étant exposé à la pression de fluide de forage provenant du train oe tiges (12) et le piston inférieur (34) étant exposé à la pression de fluide de fond de trou environnante par l'intermédiaire de l'ouverture de fond (22) de l'enveloppe extérieure (16), ces pi&o,-s (32, 34) servant à absorl'r les forces axiales de charge associées au train de tiges (12), un ensemble de rétraction de couple (50) destiné à absorber les forces de charge de torsion associées au train de tiges (12) et disposé à l'intérieur de la chambre de fluide (56-58-60) entre les pistons supérieur
(32) et inférieur (34), cet ensemble de rétraction de couple (50) compre-
nant une pièce extérieure comportant une surface à découpe hélicoïdale offrant une configuration de surface sensiblement sinusoïdale, cette pièce extérieure (52) formant la surface intérieure de l'enveloppe extérieure (16) et une pièce intérieure (54), épousant la précédente, qui comporte une surface à découpe hélicoïdale épousant celle de la pièce extérieure (52) et présentant une configuration de surface sensiblement sinusoïdale, cette pièce intérieure (54) formant la surface extérieure de l'ensemble de
mandrin intérieur (18) entre les pistons supérieur (32) et inférieur (34).
15. Dispositif suivant la revendication 14, caractérisé en ce que les surfaces hélicoïdales, s'épousant, des pièces intérieure (54) et extérieure (52) de l'ensemble de rétraction sont constituées par plusieurs découpes hélicoïdales formant des surfaces à découpe hélicoïdale à
plusieurs filets.
16. Dispositif suivant la revendication 15, caractérisé en ce que l'ensemble de rétraction de couple (50) divise la chambre de fluide (565b-61J) en une chambre supérieure (56) et une chambre inférieure (58), cet ensemble de rétraction (5U) comportant plusieurs passages hélicoïdaux de fluide (60) parallèles aux découpes hélicoïdales de façon à assurer une communication de fluide entre ces chambres supérieure (56) et inférieure
(58) de fluide.
17. Dispositif suivant la revendication 16, caractérisé en ce que l'une (52) des pièces (52, 54) de l'ensemble de rétraction (50) est
réalisée en une matière élastomère.
lk. Dispositif suivant la revendication 17, caractérisé en ce que la pièce extérieure (52) de l'ensemble de rétraction (50) comprend un manchon tubulaire fixé sur la surface intérieure de l'enveloppe extérieure (là) et en ce que la pièce intérieure (54) de cet ensemble de rétraction
(50) fait partie intégrante de l'ensemble de mandrin intérieur (18).
19. Dispositif suivant la revendication 18, caractérisé en ce que l'enveloppe extérieure (16) comporte une première chemise de cylindre (36) destinée à venir en contact étanche avec le piston supérieur (32) et une seconde chemise de cylindre (38) destinée à venir en contact étanche avec le piston inférieur (34), ces chemises de cylindre (36, 38) étant
montées sur la surface intérieure de l'enveloppe (16), avec la pièce exté-
rieure (52) de l'ensemble de rétraction disposée entre elles.
20. Dispositif suivant la revendication 19, caractérisé en ce que l'enveloppe extérieure (16) comporte des butées supérieure (62) et inférieure (64) qui viennent en contact d'une manière sélective avec les pistons supérieur (32) et inférieur (34) en vue de limiter le déplacement télescopique de l'ensemble de mandrin intérieur (18) à l'intérieur de
l'enveloppe extérieure (16).
21. Dispositif suivant la revendication 2U, caractérisé en ce
qu'il comprend en outre un ressort de compression (oo) disposé à l'inté-
rieur de l'enveloppe extérieure (16) et destiné à venir au contact de l'extrémité supérieure de l'ensemble de mandrin intérieur (1b) de façon à assurer une absorption supplémentaire des efforts axiaux s'exerçant sur le
train de tiges (12).
22. Oispositif suivant la revendication 17, caractérisé en ce que la chambre de fluide (56-5t-60) est remplie d'un fluide lubrifiant de
façon à assurer une lubrification entre les surfaces intérieure et exté-
rieure de l'ensemble de rétraction de couple (50).
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