FR2752596A1 - Couple optimal de matieres pour joint metallique frontal d'etancheite dans des trepans de forage du sol - Google Patents
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Abstract
Un trépan de forage du sol comporte un corps d'outil (13), au moins un axe de palier en porte à faux (31), comprenant une base et une surface cylindrique de palier lisse s'étendant vers l'intérieur et vers le bas depuis le corps d'outil, et au moins un organe de coupe (33) monté de façon à tourner sur la surface cylindrique de palier lisse de l'axe de palier. Un assemblage de joint d'étanchéité (42) est disposé entre la surface cylindrique de palier et l'organe de coupe à proximité de la base de l'axe de palier en porte à faux. L'assemblage de joint d'étanchéité comprend au moins une bague d'étanchéité rigide ayant une face d'étanchéité en contact avec une seconde face d'étanchéité. L'une, choisie, des faces d'étanchéité est formée au moins partiellement d'une matière dure du type céramique, l'autre face d'étanchéité étant formée d'une matière relativement plus tendre pour procurer une résistance accrue à l'usure, à l'assemblage de joint d'étanchéité.
Description
1. Domaine de l'invention La présente invention concerne de manière
générale des trépans de forage du sol, en particulier les systèmes d'étanchéité de lubrification pour des trépans de forage du sol du type à organes de coupe tournants. Plus
particulièrement, la présente invention a trait à l'améliora-
tion de la résistance à l'usure des surfaces d'étanchéité, au maintien d'une géométrie optimale pour une grande efficacité de l'étanchéité et au ralentissement de la corrosion sur les
surfaces d'étanchéité de tels trépans de forage du sol.
2. Description de l'art antérieur:
Le succès du forage rotary a permis la découverte de réserves de pétrole et de gaz à grande profondeur. Le trépan rotatif à molettes a été une invention importante qui a rendu possible le succès de forage rotary. Le trépan à lame, plus ancien, n'avait souvent d'utilité que pour pénétrer dans des formations terrestres tendres, alors que le trépan à deux molettes coniques, inventé par Howard R. Hughes, brevet des Etats- Unis d'Amérique N 930 759, a foré la roche dure de couverture du champ de Spindletop, proche de Beaumont, Texas, de façon relativement aisée. De nombreux
progrès ont contribué depuis au perfectionnement impression-
nant des trépans du forage du sol du type à organes de coupe roulants. Dans le forage de sondages dans des formations terrestres par le procédé rotary, des trépans de forage du sol utilisent habituellement au moins un organe de coupe conique roulant, monté de façon à pouvoir tourner sur eux. Le trépan est fixé à l'extrémité inférieure d'une garniture de forage qui est mise en rotation depuis la surface ou par des moteurs de fond. Les organes de coupe montés sur le trépan roulent et glissent sur le fond du sondage pendant que la garniture de forage tourne, attaquant et désintégrant ainsi le matériau de la formation. Les organes de coupe roulants sont pourvus de dents qui pénètrent et creusent à force dans le fond du trou de sondage sous l'effet du poids de la
garniture de forage.
Pendant que les organes de coupe roulent et glissent le long du fond du sondage, les organes de coupe et les axes sur lesquels ils sont montés de façon à pouvoir tourner, sont soumis à de grandes charges statiques dues au poids imposé au trépan, et à de grandes charges transitoires ou sous forme de chocs, rencontrées pendant que les organes de coupe roulent et glissent le long de la surface inégale du fond du sondage. Par conséquent, la plupart des trépans de forage du sol sont pourvus de coussinets de paliers et de surfaces de palier formés avec précision, ainsi que de systèmes étanches de lubrification pour augmenter la durée de vie en forage des trépans. Les systèmes de lubrification sont habituellement fermés de façon étanche pour éviter la perte de lubrifiant et empêcher une contamination des paliers par des matières étrangères telles que des particules abrasives rencontrées dans le sondage. Un système à compensateur de pression minimise la pression différentielle appliquée au joint d'étanchéité afin que la pression du lubrifiant soit égale ou légèrement supérieure à la pression hydrostatique régnant dans l'espace annulaire entre le trépan et la paroi
latérale du sondage.
Les trépans anciens de Hughes ne comportaient pas de joint d'étanchéité, ou alors des joints d'étanchéité rudimentaires d'une durée de vie relativement courte et, s'ils étaient lubrifiés, ils nécessitaient de grandes
quantités de lubrifiant et de grands réservoirs à lubri-
fiant. Habituellement, une fois le lubrifiant épuisé, une
avarie du coussinet de palier et du trépan suivait rapide-
ment. Un progrès dans la technologie des joints d'étanchéité est apparu avec le joint d'étanchéité "Belleville", comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 075 781
de Atkinson et al. Le joint d'étanchéité Belleville minimi-
sait la fuite de lubrifiant et permettait des réservoirs à
lubrifiant plus petits pour obtenir une durée de vie ac-
ceptable du trépan.
Au cours de la recherche portant sur des joints d'étanchéité perfectionnés pour coussinets de palier, des trépans utilisant des éléments de palier à billes ou à rouleaux, anti-frottement, ont pris de l'importance dans la technologie des trépans. Des éléments à paliers à rouleaux réduisent l'importance des lubrifiants et des systèmes de lubrification, mais introduisent un certain nombre d'autres
inconvénients. Un inconvénient principal est qu'une défail-
lance de l'un quelconque des nombreux éléments risque de permettre à des particules métalliques d'entrer dans le
palier avec, de façon presque ceraine, des dommages résul-
tants. Un trépan à palier lisse dont l'étanchéité est assurée de façon convenable devrait avoir une plus grande résistance et une plus grande capacité de charge qu'un trépan à palier anti-frottement. Le joint d'étanchéité décrit par Atkinson ne permettrait pas d'assurer l'étanchéité d'un lubrifiant à l'intérieur d'un trépan à palier lisse au-delà d'environ 50-60 heures de forage, en moyenne. Ceci est dû en partie au mouvement rapide de l'organe de coupe sur son axe de palier (tremblement de l'organe de coupe), imposé par des tolérances concernant le palier et l'assemblage, ce qui
engendre les à-coups de pression dynamique dans le lubri-
fiant, faisant passer à force le lubrifiant au-delà du joint d'étanchéité et ayant pour résultat une perte de lubrifiant
et une défaillance du trépan prématurées.
La combinaison à bague torique et palier lisse décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 3 397 928 de Galle a débloqué le potentiel du trépan à palier lisse. Le trépan à palier lisse et étanchéité par joint torique de Galle a pu forer 100 heures ou plus dans le forage dur et lent de West Texas. Le succès de la conception de Galle a pu être attribué en partie à l'aptitude de la conception de la bague torique à aider à minimiser les à-coups de pression
dynamiques précités.
Un progrès majeur dans la technologie de l'étan-
chéité des trépans de forage du sol est apparu avec l'intro-
duction d'un joint d'étanchéité frontal rigide satisfaisant. Les joints d'étanchéité frontaux rigides utilisés dans des trépans de forage du sol constituent des perfectionnements apportés à une conception de joint d'étanchéité connus sous le nom de joint d'étanchéité "Duo-Cone", développé par Caterpillar Tractor Co., Peoria, Illinois. Des joints d'étanchéité frontaux rigides sont connus sous plusieurs configurations, mais ils comprennent habituellement au moins une bague rigide, sur laquelle on forme une rectification ou rodage une face d'étanchéité de précision, confinée dans une gorge proche de la base de l'axe sur lequel l'organe de coupe tourne, et un élément de sollicitation, qui repousse la face d'étanchéité de la bague rigide en contact d'étanchéité avec une seconde face d'étanchéité. Ainsi, les faces d'étanchéité s'accouplent et tournent l'une par rapport à l'autre pour établir une interface d'étanchéité entre l'organe de coupe roulant et l'axe sur lequel il est monté. Les joints ou
bagues d'étanchéité sont qualifiés de "rigides" en com-
paraison, par exemple, avec un joint d'étanchéité à bague torique. Le combinaison de l'élément de sollicitation et
de la bague rigide permet à l'assemblage du joint d'étan-
chéité de se déplacer légèrement pour minimiser les fluc-
tuations de pression dans le lubrifiant, et pour empêcher l'extrusion de l' élément de sollicitation au-delà de l'organe de coupe et de l'axe du palier, ce qui peut avoir pour
résultat une perte brusque et presque totale du lubrifiant.
Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 4 516 641 de Burr, N 4 666 001 de Burr, N 4 753 304 de Kelly et N 4 923 020 de Kelly donnent des exemples de joints d'étanchéité frontaux rigides à utiliser dans des trépans de forage du sol. Les joints d'étanchéité frontaux rigides améliorent sensiblement la durée de vie en forage des trépans de forage du sol du type à organes de coupe roulants. Les trépans de forage du
sol pourvus de joints d'étanchéité frontaux rigides retien-
nent souvent le lubrifiant et fonctionnent donc efficacement
plus longtemps que les trépans de l'art antérieur.
Etant donné que les faces d'étanchéité des joints
d'étanchéité frontaux rigides sont en contact et en glis-
sement constants l'une par rapport à l'autre, un mode de défaillance des joints d'étanchéité est l'usure. Les faces d'étanchéité finissent par être piquées et les forces de
frottement entre les faces d'étanchéité augmentent, con-
duisant à une élévation des températures de fonctionnement, une diminution de l'efficacité de l'étanchéité et finalement une rupture de l'étanchéité, ce qui aboutit finalement à une avarie du trépan. Dans un effort pour minimiser l'usure du joint d'étanchéité, des bagues d'étanchéité des joints d'étanchéité frontaux rigides de l'art antérieur sont formées d'aciers pour outils tels que l'acier inoxydable 440C, ou d'alliages durcissables tels que la Stellite. L'utilisation de ces matières dans des joints d'étanchéité frontaux rigides allonge la durée de vie en forage des trépans, mais laisse la possibilité d'augmenter la longévité en forage des joints d'étanchéité frontaux rigides et donc des trépans de forage
du sol.
On a donc besoin d'un joint d'étanchéité frontal rigide à utiliser dans des trépans de forage du sol, ayant une résistance à l'usure accrue dans les faces d'étanchéité frontaux rigides qui sont en contact et en glissement
constants l'une par rapport à l'autre.
On a également besoin d'un joint d'étanchéité frontal rigide perfectionné à utiliser dans des trépans de forage du sol, qui possède une haute efficacité d'étanchéité pour empêcher les contaminants d'entrer dans le système du
trépan que le joint d'étanchéité protège.
On a également besoin d'un tel joint d'étanchéité frontal rigide perfectionné qui est configuré pour ralentir
la corrosion des surfaces d'étanchéité du système d'étan-
chéité. On a besoin d'un joint frontal d'étanchéité utilisé dans un trépan de forage du sol ayant une rigidité
accrue aux surfaces d'étanchéité.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
Un objet général de la présente invention est de procurer un joint d'étanchéité frontal rigide perfectionné à utiliser dans un traitement de forage du sol, le joint d'étanchéité frontal rigide présentant une résistance à
l'usure améliorée entre ses faces d'étanchéité, une ef-
ficacité d'étanchéité améliorée et une résistance à la
corrosion améliorée.
Ces objets et autres de la présente invention sont réalisés par un trépan de forage du sol ayant un corps
d'outil, au moins un axe de palier en porte à faux, compre-
nant une surface cylindrique de palier lisse s'étendant vers l'intérieur et vers le bas depuis le corps d'outil, et au moins un organe de coupe monté de façon à tourner sur la surface cylindrique de palier lisse de l'axe de palier. Un
ensemble d'étanchéité est disposé entre la surface cylindri-
que de palier lisse et l'organe de coupe à proximité de la
base de l'axe de palier en porte à faux. L'ensemble d'étan-
chéité comprend au moins une bague d'étanchéité rigide ayant une face d'étanchéité en contact avec une seconde face d'étanchéité, au moins l'une des faces d'étanchéité étant formée au moins partiellement d'une matière dure du type
céramique.
Selon la forme préférée de réalisation de la présente invention, la première face d'étanchéité est formée d'une matière dure du type céramique et la seconde face d'étanchéité est une face d'étanchéité radiale sur une
seconde bague d'étanchéité rigide, la seconde face d'étan-
chéité étant formée d'une matière relativement plus tendre que la matière dure du type céramique sur la première bague
d'étanchéité rigide.
Selon une forme de réalisation de la présente invention, la seconde face d'étanchéité est portée par l'organe de coupe du trépan de forage du sol, la seconde face d'étanchéité étant formée d'une matière relativement plus tendre que la matière céramique dure sur la première bague
d'étanchéité rigide.
La matière dure du type céramique est avantageu-
sement choisie dans le groupe constitué de nitrures métalli-
ques, de carbures métalliques, de nitrures de carbone et de surstructures de nitrure. La seconde face d'étanchéité, relativement plus tendre, peut être formée d'un métal choisi dans le groupe constitué du fer et du cobalt et de leurs alliages. D'autres objets, particularités et avantages de la présente invention apparaîtront aux spécialistes de la
technique en référence aux figures et à la description
détaillée qui suivent.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une vue en coupe partielle d'une section d'un trépan de forage du sol selon la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie de l'assemblage de joint d'étanchéité
préféré à utiliser avec des trépans de forage du sol confor-
mément à la présente invention; la figure 3 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie d'une variante de l'assemblage du joint d'étanchéité envisagé pour une utilisation avec la présente invention; et les figures 4-11 sont des comparaisons graphiques
des résultats d'essais de diverses paires de bagues d'étan-
chéité rigides revêtues conformément à la présente invention, par rapport à des matières classiques, montrant leurs profils
de surface.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La figure 1 représente, par une vue en coupe partielle, une section d'un trépan 11 du forage du sol conforme à la présente invention. Le trépan 11 de forage du sol est pourvu d'un corps 13 dont l'étendue supérieure 15 est filetée pour un raccordement dans une garniture de forage
(non représentée).
Le trépan 11 de forage du sol est pourvu d'un système 23 de lubrification à compensation de pression. Le système 23 de lubrification à compensation de pression est
rempli d'un lubrifiant par dépression lors de l'assemblage.
Le processus de lubrification par dépression assure aussi que la cavité de palier lisse, désignée de façon générale en 29, est remplie de lubrifiant par un passage 27. La pression régnant dans le sondage agit à travers une membrane 25 pour que la pression du lubrifiant soit rendue sensiblement égale
à la pression ambiante du sondage.
Un axe de palier en porte à faux 31 fait saillie, vers l'intérieur et vers le bas, du corps 13 du trépan 11 de forage du sol. Un organe de coupe globalement tronconique 33, parfois appelé "cône", est monté de façon à pouvoir tourner sur l'axe de palier en porte à faux 31. L'organe de coupe 33 est pourvu de plusieurs rangées globalement circulaires d'inserts ou dents 35, qui attaquent et désintègrent le matériau de la formation pendant que l'outil 11 de forage du sol est en rotation et que les organes de coupe 33 roulent et
glissent le long du fond du sondage.
L'axe de palier en porte à faux 31 présente une surface cylindrique 37 de palier, une surface 38 de butée axiale, et une surface 39 de palier de tourillon pilote. Ces surfaces 37, 38, 39 coopèrent avec des surfaces de palier complémentaires sur l'organe de coupe 33 pour former un palier lisse sur l'axe 31 de palier en porte à faux sur lequel l'organe de coupe 33 peut tourner librement. Du lubrifiant est amené au palier lisse, en empruntant le passage 27, par le système 23 de lubrification à compensation de pression. L'organe de coupe 33 est retenu sur l'axe de palier 31 au moyen de plusieurs éléments 41 de verrouillage
à billes rectifiées avec précision.
Un assemblage 42 de joint d'étanchéité conforme à la présente invention est disposé à proximité d'une base 43 de l'axe de palier en porte à faux 31 et de façon générale entre l'organe de coupe 33 et l'axe de palier 31. Cet assemblage de joint d'étanchéité est prévu pour obtenir le lubrifiant à l'intérieur de la cavité 29 de palier, et pour empêcher une contamination du lubrifiant par des matières
étrangères provenant de l'extérieur du trépan 11. L'assem-
blage de joint d'étanchéité peut coopérer avec le circuit 23 de lubrifiant à compensation de pression pour minimiser les différences de pression s'exerçant à travers le joint
d'étanchéité 42, ce qui peut avoir pour résultat une extru-
sion rapide et une perte du lubrifiant, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 516 641 de Burr. Ainsi, le compensateur 23 de pression compense la pression du
lubrifiant vis-à-vis des variations de la pression hydros-
tatique rencontrées par le trépan 11, tandis que l'assemblage de joint d'étanchéité 42 assure une compensation vis-à-vis des variations de la pression dynamique dans le lubrifiant, provoquées par le mouvement de l'organe de coupe 33 sur l'axe 31. La figure 2 représente, par une vue en coupe à échelle agrandie, une configuration avantageuse 42 du joint d'étanchéité envisagé pour être utilisée avec la présente invention. L'assemblage 42 de joint d'étanchéité illustré est connu sous le nom de joint frontal rigide "double", car il utilise deux bagues rigides d'étanchéité, contrairement à la
configuration à une seule bague illustrée sur la figure 3.
L'assemblage de joint d'étanchéité frontal rigide double 42 est disposé à proximité de la base 43 de l'axe 31 du palier et est situé de façon générale entre l'organe de coupe 33 et l'axe 31. L'assemblage 42 de joint d'étanchéité est disposé dans une gorge de joint d'étanchéité définie par une gorge 47 de l'axe et une gorge 49 de l'organe de coupe. L'assemblage de joint d'étanchéité frontale rigide double 42 comporte une bague rigide 52 associée à l'organe de coupe, une bague élastique 54 de sollicitation associée à l'organe de coupe, une bague d'étanchéité annulaire rigide 60 associée à l'axe
et une bague élastique 62 de sollicitation associée à l'axe.
La bague d'étanchéité rigide 52 associée à l'organe de coupe et la bague d'étanchéité rigide 60 associée à l'axe sont
pourvues de faces radiales 56, 58, respectivement, d'étan-
chéité, formées avec précision. Les bagues élastiques 54, 62 de sollicitation coopèrent avec les gorges 47, 49 de joint et les bagues rigides 52, 60 de joint pouvant solliciter et maintenir les faces radiales 56, 58 d'étanchéité en contact d'étanchéité. L'interface étanche formée par les faces 56, 58 d'étanchéité constitue une barrière qui empêche le lubrifiant de sortir du palier lisse et empêche la contamination du
lubrifiant par des matières étrangères provenant de l'exté-
rieur du trépan 11.
Comme on le voit sur les figures 2 et 3, les faces radiales 58, 158 d'étanchéité sont des surfaces relativement plates. Les faces radiales 56, 156 d'étanchéité sont formées de façon à présenter un rayon de sphère menant à une partie plate qui donne une légère inclinaison à la surface. Des exemples de dimensions pour les assemblages de joint d'étanchéité illustrés sur les figures 2 et 3 peuvent être trouvés dans les brevets délivrés des Etats-Unis d'Amérique N 4 616 641 de Burr et N 4 753 304 de Kelly, respectivement. Selon la forme préférée de réalisation de la
présente invention, au moins une partie d'une face d'étan-
chéité choisie 56, 58 des bagues d'étanchéité 52, 60 est l formée d'une matière dure du type céramique. La totalité
d'une face d'étanchéité choisie 56, 58 est formée avantageu-
sement de la matière dure du type céramique. L'autre des faces d'étanchéité rigides 56, 58 est formée d'une matière relativement plus tendre que la matière dure du type cérami- que de la première bague d'étanchéité rigide. L'utilisation
d'une matière dure du type céramique sur une face d'étanchéi-
té et d'une matière relativement tendre pour l'autre face d'étanchéité réduit l'usure des faces d'étanchéité 56, 58, allongeant ainsi la durée de vie de l'assemblage 42 du joint d'étanchéité.
Dans la forme préférée de réalisation de l'inven-
tion montrée sur la figure 2, la surface relativement plate d'étanchéité de tête (58 sur la figure 2) est formée de la matière dure du type céramique et la surface conique inclinée d'étanchéité (56 sur la figure 2) est formée de la matière
relativement plus tendre.
La figure 3 illustre, par une vue en coupe échelle agrandie, une variante de configuration du joint d'étanchéité 142. L'assemblage de joint d'étanchéité 142 comprend une gorge 147 pour joint d'étanchéité située dans l'axe, une gorge 149 pour joint d'étanchéité située dans l'organe de coupe, une bague d'étanchéité rigide 152 et une bague élastique de sollicitation 154. Une face radiale d'étanchéité 156 formée avec précision est réalisée sur la bague rigide 152 d'étanchéité et s'accouple avec une face d'étanchéité correspondante 158, formée avec précision et portée par l'organe de coupe 33. La bague élastique de sollicitation 154 coopère avec la gorge 147 pour joint
d'étanchéité associée à l'axe et la bague rigide 152 d'étan-
chéité afin de solliciter et maintenir les faces d'étanchéité
156, 158 en contact étanche. Au moins une partie avantageuse-
ment la totalité d'une face d'étanchéité choisie 156, 158 de l'assemblage du joint d'étanchéité 142 est formée d'une matière dure du type céramique, qui est plus dure que l'autre
des faces d'étanchéité.
Dans la forme préférée de réalisation de l'inven-
tion montrée sur la figure 3, la surface d'étanchéité relativement plate (158 sur la figure 3) est formée de la matière dure du type céramique, et la surface inclinée d'étanchéité (156 sur la figure 3) est formée de la matière relativement plus tendre. Bien que la surface d'étanchéité 156 relativement plus tendre subisse davantage d'usure, elle conserve avec plus de précision sa géométrie souhaitée dans
l'agencement de l'invention.
Les assemblages de joints d'étanchéité illustrés
sur les figures 1, 2 et 3 sont représentatifs de la techno-
logie des joints frontaux rigides et ils ne sont représentés qu'à des fins d'illustration. L'utilité de la présente invention n'est donc pas limitée aux assemblages de joint d'étanchéité illustrés, mais l'invention est utile dans toutes les façons d'utiliser des joints frontaux d'étanchéité dans des trépans de forage du sol. Dans chaque cas, la face plate d'étanchéité pourrait se trouver soit sur le cône, soit sur la face d'étanchéité de tête, ou bien les deux faces
d'étanchéité pourraient être plates.
La matière relativement plus dure choisie pour
une face d'étanchéité choisie du système de joint d'étan-
chéité de l'invention peut être une matière dure du type céramique. L'expression "matière dure du type céramique" désigne une matière avantageusement choisie dans le groupe constitué de nitrures métalliques, de carbures métalliques, de nitrures de carbone et de surstructures de nitrures. On peut obtenir la surface dure, par exemple par revêtement par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) avec une matière céramique dure telle que TiN, TiC, CrN, ZrN, NbN, etc. Elle peut également être formée par brasage sous la forme d'un composite en couche. La seconde face d'étanchéité relativement plus tendre du système d'étanchéité de l'invention peut être en une matière choisie dans le groupe constitué du fer et du cobalt et de leurs alliages, par exemple de l'acier inoxydable recuit, ou un
alliage durcissable tel que la Stellite.
Dans les essais qui suivent, la face d'étanchéité plus dure a été formée en revêtant la face d'étanchéité d'une
bague d'étanchéité en acier 440C normale d'un mince revête-
ment céramique de TiN par un procédé développé au laboratoire Basic Industrial Research Laboratory (BIRL) à l'université Northwestern University. Les revêtements de TiN ont été réalisés par une technique de pulvérisation réactive à débit élevé. Dans cette technique, du titane est déposé par un magnétron classique à courant continu, alimenté en un mélange d'argon et d'azote pour former du TiN. La pression partielle d'azote est régulée par une boucle de rétro-action, assurant ainsi une composition chimique appropriée du revêtement, tout
en maintenant une vitesse de déposition élevée, habituel-
lement d'environ 0,5 micromètre/minute, (0,00002 inch/minute). Ce procédé de revêtement est souple et il peut être exécuté à des températures plus basses que celles de la plupart des autres procédés de déposition de TiN. Une adhérence satisfaisante est obtenue même avec un substrat en acier 440C constituant la surface de cible et la dureté est généralement d'environ 2000 HV. La plupart des revêtements de TiN utilisés pour réduire l'usure dans l'outillage industriel ont une épaisseur d'environ 2,5 micromètres, mais des revêtements plus minces ont été produits par le procédé BIRL, dans la plage d'environ 0,25 à 2,5 micromètres. Une épaisseur
de revêtement comprise dans la plage d'environ 2-8 micro-
mètres, plus avantageusement d'environ 4-7 micromètres, est généralement préférée aux fins de la présente invention. Les revêtements décrits sont disponibles dans le commerce grâce à un système de déposition par pulvérisation à liaison par arc, de dimensions industrielles, récemment installé au laboratoire Basic Industrial Research Laboratory at
Northwestern University.
D'autres techniques pour déposer un revêtement céramique dur comprennent un dépôt physique en phase vapeur, un dépôt chimique en phase vapeur, une projection thermique, une électrodéposition et des traitements de surface par laser, par exemple, et sont connues des spécialistes dans ce domaine. Le nitrure de carbone constitue une autre matière dure du type céramique qui est disponible auprès de BIRL dans les plages d'épaisseur du même type. Le nitrure de carbone (C3N4) peut être produit par pulvérisation réactive par magnétron à courant continu, par des techniques d'attaque
chimique avec pulvérisation, par déposition réactive (atmos-
phères d'Ar/N2 ou de N2), par des techniques de polarisation de substrats (courant continu, RF ou impulsions de courant continu), etc. Les revêtements du type "surstructure" sont un autre matériau récemment développé, disponible dans le commerce, formé de très minces couches métalliques alternées, telles que des couches alternées de TiN et de ZrN, qui sont répétées pour constituer un revêtement plus épais. Les couches individuelles sont d'une épaisseur de 30-200 angtrôms. Des revêtements disponibles dans le commerce
comprennent, par exemple, des revêtements céramiques binai-
res, "nanocristallins" formés par la technologie à arc cathodique affiné, appliqués à une température d'environ 400 C (750 F). Des revêtements multicouches disponibles dans le commerce en TiN/ZrN, parfois appelés revêtements "à couches modulées", sont au moins 33 % plus durs que desrevêtements monolithiques classiques en TiN et ZrN en raison
des couches alternées très minces de TiN et ZrN utilisées.
Par l'amélioration de la rigidité des surfaces d'étanchéité, on diminue la tendance des surfaces à se déformer, ce qui procure donc une autre caractéristique souhaitable de la présente invention. Les revêtements du type surstructure sont également plus résistants, du point de vue chimique, que les revêtements classiques. Une épaisseur de revêtement d'environ
4-7 micromètres est généralement préférée.
Dans les exemples qui suivent, on a procédé à une
série d'essais pour comparer des paires de bagues d'étan-
chéité classiques à des paires de bagues d'étanchéité traitées conformément à la présente invention. Un montage d'essai spécial à cône et tête utilisait la pression d'un ressort pour appliquer à force l'une contre l'autre les pièces d'essai en réponse à une pression appliquée. Un montage à butoir intérieur simulait un jeu dans le trépan similaire à celui rencontré en utilisation réelle sur le terrain. Le montage d'essai a été construit et mis en oeuvre dans une cuve contenant une boue à base d'eau. Les paramètres d'essais sont énumérés dans le tableau 1 et les données d'usure qui ont été obtenues sont présentées dans le tableau 2. Dans chaque cas, l'une des bagues d'étanchéité est une bague d'essai classique, non revêtue, formée d'acier 440C durcie à environ 52 ou plus sur l'échelle Rockwell C. L'autre des bagues d'étanchéité était revêtue d'un revêtement de TiN sur le substrat de 440C, le revêtement ayant une épaisseur de micromètres. Le tableau 1 montre les données d'usure des joints d'étanchéité telles que mesurées par une perte de poids et l'emplacement de la bande d'usure. Avec le rapport de dureté Vickers entre la face d'étanchéité revêtue de TiN, plus dure, et la face d'étanchéité plus tendre, en matière du type 440C, d'environ 4 à 1, l'usure a été réduite de 76 %, % et 43 %, respectivement, en perte de poids, suivant les
paramètres d'essais énumérés.
Un examen des profils des surfaces des bagues d'essais (figures 4-11) montre que les paires TiN/440C présentent des irrégularités ou une usure de surface très inférieures à celles des paires 440C/440C. La combinaison de paires d'une matière dure sur une matière tendre dans les joints d'étanchéité frontaux métalliques essayés a également servi à maintenir une géométrie optimale pour des bagues d'échantéité afin d'obtenir une efficacité d'étanchéité accrue. Evaluation d'un couple formé d'une matière dure sur une matière tendre pour un joint d'étanchéité frontal métallique Tableau 1 - paramètres d'essai Essai Couple de tr/min Charge frontale Pression de Heures Teneur en matières N (lb) graisse sable de la Pa (psi) boue _______ _ _____ ____ ___ kg (lbs)
22 440C/440C 109 631,65 (142) 0 72 2,268 (5)
23 TiN/440C 109 604,95 (136) 0 72 2,268 (5)
24 440C/440C 109 596,06 (134) 0 144 2,268 (5)
TiN/440C 109 604,95 (136) 0 144 2,268 (5)
32 440C/440C 449 667,23 (150) 0 39 2,268 (5)
33 TiN/440C 449 729,00 (164) 0 40 2,268 (5)
* Echantillon d'essai: joint d'étanchéité frontal métallique de palier EF525 de 10,80 cm.
* Essai conduit sur une machine d'essai de joints d'étanchéité "B" dans une boue à base d'eau.
* Poids de la boue: 1,227 kg/litre (9,4 lbs/gal).
* Epaisseur du revêtement de TiN sur le substrat de 440C: 5 Mm.
* Résistance du revêtement: microdureté Vickers: 2000 kg/mm2. Dureté 440C = 575 kg/mm2.
Tableau 2 - données d'usure.
Essai wHSb wHSa dwHS wCSb wCSa dwCS wbHS wbCS g g g g g g jm (in) gm (in)
22 41,5570 41,5252 0,0318 40,5062 40,4806 0,0256 1381, 8 1158,2
___ __. __ _ _ _ _ _ __ _ _ _ _ _ (0,0544) (0, 0456)
23 41,7090 41,7065 0,0025 40,3000 40,2888 0,0112 1173, 5 861,1
(0,0462) (0,0339)
24 41,4865 41,3935 0,0930 40,1738 40,0895 0,0843 1976, 1 1808,5
________1(0,0778) (0,0712)
41,3505 41,3421 0,0084 40,2979 40,2448 0,0531 1064,3 1254,8
_______ l_________ _ ___](0,0419) (0,0494)
32 41,5765 41,4951 0,0814 40,2295 40,1786 0,0509 1950, 7 1739,9
(0,0768) (0,0685)
33 40,9890 40,9655 0,0235 40,3965 40,3453 0,0512 1338, 6 1277,6
_____ _____ _ (0,0527) (0,0503)
*wHSb--poids du joint d'étanchéité de tête avant l'essai.
wHSa--poids du joint d'étanchéité de tête après l'essai.
dwHS--variation du poids du joint d'étanchéité de tête avant et après l'essai.
wCSb--poids du joint d'étanchéité conique avant l'essai.
wHSb--poids du joint d'étanchéité conique après l'essai.
dwCS--variation du poids du joint d'étanchéité conique avant et après l'essai.
wbHS--moyenne de l'emplacement de la bande d'usure du joint d'étanchéité de tête après l'essai. wbCS--moyenne de l'emplacement de la bande d'usure du joint d'étanchéité de tête après l'essai. En fonctionnement, le trépan 11 de forage du sol est monté sur une garniture de forage (non représentée) et descendu dans le sondage pour des opérations de forage. La garniture de forage et le trépan 11 de forage du sol sont mis en rotation, permettant aux organes de coupe 33 de rouler et de glisser le long du fond du sondage, o les inserts ou
dents 35 attaquent et désintègrent le matériau de la for-
mation. Pendant que les organes de coupe 33 tournent par rapport au corps 13 du trépan 11 de forage du sol, les assemblages de joints d'étanchéité retiennent le lubrifiant dans les cavités 29 de palier, favorisant l'aptitude à la rotation libre des organes de coupe 33 sur les axes 31 de palier.
Les bagues élastiques 54, 62, 154 de sol-
licitation maintiennent les bagues d'étanchéité rigides 52, , 152 et les faces d'étanchéité 56, 58, 156, 158 en contact d'étanchéité. Les faces des joints 156, 158 associées à l'organe de coupe 33 tournent par rapport aux faces de joint
58, 158 associées à l'axe 31 de palier, qui restent essen-
tiellement immobiles. Par conséquent, les faces des joints 56, 58, 156, 158 sont en contact de glissement constant et
sont soumises à une usure par abrasion et frottement.
Des joints frontaux rigides ayant des faces de joint formées conformément à la présente invention présentent
une résistance accrue à l'usure, produisant moins d'irrégula-
rités de surface et une plus faible usure, et ils favorisent une géométrie optimale pour une efficacité d'étanchéité
accrue. Ces facteurs se combinent pour constituer un assem-
blage de joint d'étanchéité et donc un trépan de forage du sol ayant une plus longue durée de vie en service. La capacité de l'assemblage du joint d'étanchéité à supporter une usure et à fonctionner plus longtemps que les joints
d'étanchéité de l'art antérieur permet de retenir le lubri-
fiant dans les surfaces de palier pendant une plus grande période de temps, ce qui aboutit donc à un trépan de forage
du sol ayant une durée de vie accrue et donc à un fonction-
nement plus économique. Les revêtements à surstructures utilisées ont une dureté qui est supérieure à celle de chaque matière constitutive utilisée seule. La composition en couches peut être conçue pour procurer des propriétés
mécaniques et une résistance à la corrosion améliorées.
La présente invention a été décrite en référence à une forme avantageuse de réalisation de celle-ci. Les spécialistes de la technique apprécieront que l'invention n'est pas limitée ainsi, mais qu'elle est sujette à des variations et des modifications sans sortir du cadre ni de
l'esprit de cette invention.
Claims (12)
1. Trépan de forage du sol ayant un assemblage de joint d'étanchéité frontal mécanique perfectionné, le trépan de forage du sol comportant: un corps d'outil; au moins un axe de palier en porte à faux, comprenant une base et une surface de palier, s'étendant vers l'intérieur et vers le bas depuis le corps d'outil; au moins un organe de coupe monté de façon à tourner sur l'axe de palier en porte à faux; un assemblage de joint d'étanchéité disposé entre l'axe de palier et l'organe de coupe et proche de la base de l'axe de palier en porte à faux, l'assemblage de joint d'étanchéité comprenant au moins une bague d'étanchéité rigide ayant une face d'étanchéité en contact avec une
seconde face d'étanchéité, au moins l'une des faces d'étan-
chéité étant formée au moins partiellement d'une matière dure
du type céramique.
2. Trépan de forage du sol selon la revendication 1, dans lequel la première face d'étanchéité est formée de la matière dure du type céramique et dans lequel la seconde face d'étanchéité est une face d'étanchéité radiale sur une
seconde bague rigide d'étanchéité, la seconde face d'étan-
chéité étant formée d'une matière relativement plus tendre que la matière dure du type céramique sur la première bague
d'étanchéité rigide.
3. Trépan de forage du sol selon la revendication 1, dans lequel la première face d'étanchéité est formée de la matière dure du type céramique et dans lequel la seconde face d'étanchéité se trouve sur l'organe de coupe du trépan de forage du sol, la seconde face d'étanchéité étant formée d'une matière relativement plus tendre que la matière dure du
type céramique sur la première bague d'étanchéité rigide.
4. Trépan de forage du sol selon la revendication 1, dans lequel la matière dure du type céramique est choisie dans le groupe constitué de nitrures métalliques, de carbures métalliques, de nitrures de carbone et de surstructures de nitrure.
5. Trépan de forage du sol selon la revendication 4, dans lequel la seconde face d'étanchéité, relativement plus tendre, est formée d'une matière choisie dans le groupe
constituée du fer et du cobalt et de leurs alliages.
6. Trépan de forage du sol selon la revendication , dans lequel la matière dure du type céramique utilisée pour la première face d'étanchéité est du TiN et la seconde face d'étanchéité, relativement plus tendre est formée
d'acier inoxydable trempé.
7. Trépan de forage du sol selon la revendication 6, dans lequel la matière dure du type céramique utilisée pour la première face d'étanchéité est une surstructure de nitrure et la seconde face d'étanchéité, relativement plus
tendre, est formée d'acier inoxydable trempé.
8. Trépan de forage du sol ayant un assemblage de joint d'étanchéité frontal mécanique perfectionné, le trépan de forage du sol comportant: un corps; un axe de palier en porte à faux s'étendant obliquement vers l'intérieur et vers le bas depuis le corps; un organe de coupe monté de façon à tourner autour de l'axe de palier, avec un jeu axial et radial dû à des dégagements; un système de lubrification dans le corps, comprenant un compensateur de pression hydrostatique; une gorge pour joint d'étanchéité comprenant deux parois circonférentielles opposées, l'une située sur l'organe de coupe et l'autre sur l'axe de palier, intersectant chacune une paroi extrême globalement radiale; deux bagues rigides positionnées dans la gorge pour joint d'étanchéité de façon à présenter des faces d'étanchéité opposées; deux bagues élastiques de sollicitation portant chacune de façon étanche contre l'une, respective, des bagues rigides, et portant en continu contre l'une des parois
circonférentielles opposées de la gorge pour joint d'étan-
chéité afin de définir un assemblage de joint d'étanchéité positionné entre les parois extrêmes de la gorge pour joint d'étanchéité;
l'assemblage de joint d'étanchéité étant posi-
tionné entre les parois extrêmes de la gorge pendant le montage de l'organe de coupe sur l'axe de palier et étant
exposé à, et déplacé par, des différences de pression dynami-
que entre le lubrifiant et les fluides de forage ambiant; dans lequel les deux bagues rigides définissent des première et seconde faces d'étanchéité, la première face
d'étanchéité étant formée d'une matière dure du type cérami-
que et la seconde face d'étanchéité étant formée d'une matière relativement plus tendre que la matière dure du type
céramique de la première face d'étanchéité.
9. Trépan de forage du sol selon la revendication 8, dans lequel la matière dure du type céramique est choisie dans le groupe constitué de nitrures métalliques, de carbures métalliques, de nitrures de carbone et de surstructures de nitrure.
10. Trépan de forage du sol selon la reven-
dication 8, dans lequel la seconde face d'étanchéité, relativement plus tendre, est formée d'une matière choisie dans le groupe constitué du fer et du cobalt et de leurs alliages.
11. Trépan de forage du sol selon la revendica-
tion 8, dans lequel la matière dure du type céramique utilisée pour la première face d'étanchéité est du TiN et la seconde face d'étanchéité, relativement plus tendre, est
formée d'acier inoxydable trempé.
12. Trépan de forage du sol selon la reven-
dication 8, dans lequel la matière dure du type céramique
utilisée pour la première face d'étanchéité est une sur-
structure de nitrure et la seconde face d'étanchéité, relativement plus tendre, est formée d'acier inoxydable trempé.
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