BE1006434A3 - Commande d'au moins deux bras de stabilisation dans un dispositif de forage ou de carottage. - Google Patents

Abstract

Commande (1) d'au moins deux bras de stabilisation (2) dans un dispositif de forage ou de carottage, en particulier de bras de stabilisation (2) dans une tête de forage ou de carottage, chaque bras ayant une extrémité montée à pivotement autour d'un axe (6) parallèle à l'axe (4) de la tête de forage, comprenant, par bras (2), un piston (8) agencé pour faire pivoter le bras (2) autour de l'axe (6) susdit afin qu'il occupe deux positions extrêmes, une première position où il est logé dans la tête et une seconde position où il fait saillie par rapport à cette tête, des moyens de commande (10) et des moyens de synchronisation (11) étant agencés respectivement pour déplacer les pistons (8) à partir du fluide de forage et pour que les pistons (8) agissent sensiblement simultanément dans un même sens et suivant une même amplitude.

Description

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   "Commande d'au moins deux bras de stabilisation dans un dispositif de foraqe ou de   carottaqe".   



   La présente invention concerne une commande d'au moins deux bras de stabilisation dans un dispositif de forage ou de carottage, en particulier de bras de stabilisation dans une tête de forage ou de carottage, chaque bras étant décalé par rapport à l'autre sur la périphérie de la tête et ayant une extrémité montée à pivotement autour d'un axe parallèle à l'axe de la tête de forage de manière à ce que l'extrémité libre du bras soit située en amont dudit axe de pivotement par rapport au sens de rotation de la tête en cours de forage. 



   L'utilisation de stabilisateurs à plusieurs bras de stabilisation, commandés par le fluide de forage est courante dans le métier. Cependant des améliorations sont nécessaires pour, par exemple, rendre plus compacte la commande des bras, lorsqu'elle doit être intégrée dans une tête de forage ou de carottage, et pour réduire le nombre de pièces mécaniques utilisées dans cette commande afin d'en diminuer le coût et d'en augmenter la fiabilité. 



   A cet effet, suivant l'invention, la commande comprend, par bras, un piston agencé pour faire pivoter le bras autour de l'axe susdit afin que l'extrémité libre du bras occupe deux positions extrêmes, une première position dite de repos dans laquelle le bras est logé dans la tête et une seconde position dite active dans laquelle ladite extrémité libre fait saillie par rapport à cette tête, des moyens de commande et des moyens de synchronisation étant agencés respectivement pour déplacer les pistons à partir du fluide de forage 

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 et pour que les pistons agissent sensiblement simultanément dans un même sens et suivant une même amplitude. 



   Une commande séparée pour chaque bras permet de réduire les dimensions du piston pour pouvoir loger ce dernier dans ladite tête de forage et le raccorder directement au bras concerné. 



   Suivant une forme avantageuse de l'invention, les axes longitudinaux des pistons sont tangents à un cylindre fictif coaxial à la tête, et de préférence ils sont compris dans au moins un plan transversal à l'axe de la tête de forage. 



   Suivant une forme particulièrement avantageuse de l'invention, les moyens de commande des pistons comprennent un piston annulaire, coaxial à la tête, agencé pour pouvoir être déplacé suivant leur axe commun dans un cylindre formé dans la tête, le piston annulaire étant profilé, d'une part, pour être actionné par le fluide de forage et, d'autre part, pour agir sur un fluide qui actionne chacun des pistons susdits et qui est contenu dans le cylindre en communication avec les chambres des pistons. 



   De cette manière, le fluide de forage n'entre en contact qu'avec un minimum d'éléments constitutifs de la commande et cela réduit ou exclut le risque d'un blocage et d'une usure de la commande par des matières composant ce fluide de forage ou véhiculées par celui-ci. 



   D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description des dessins annexés au présent mémoire et qui illustrent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation particulière de la commande suivant l'invention. 



   La figure 1 montre, avec brisures, en coupe longitudinale suivant la ligne brisée   I-I   de la figure 2, une tête de forage équipée de la commande de bras suivant l'invention. 

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   La figure 2 est à une autre échelle une coupe transversale de la commande de la figure 1, suivant la ligne   II-II.   



   Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues. 



   Les figures illustrent une commande 1 de trois bras de stabilisation 2 disposés à titre d'exemple dans une tête de forage 3. Pour la facilité de la représentation graphique, les trois bras 2 régulièrement répartis sur la périphérie de la tête 3 sont situés à un même niveau de celle-ci par rapport à l'extrémité antérieure de la tête 3 suivant sa progression-dans un trou en cours de forage. L'homme de métier peut aisément concevoir d'autres répartitions des bras 2 tant sur le pourtour de la tête 3 que le long de l'axe longitudinal 4 de celle-ci. 



   Chaque bras 2 est monté à une de ses extrémités dans la tête de forage 3, pour pouvoir pivoter autour d'un pivot 5 d'axe 6 parallèle à l'axe longitudinal 4, de manière que l'extrémité opposée 7 du bras 2 soit située en arrière de l'axe de pivotement 6 par rapport au sens de rotation 77 (figure 2) de la tête 3 en cours de forage. 



   Suivant l'invention, la commande 1 comprend pour chaque bras de stabilisation 2 un piston 8 qui est disposé dans une chambre 9 appropriée et qui est agencé pour faire pivoter le bras 2 correspondant autour de son axe 6, entre deux positions extrêmes. Dans une première position extrême dite de repos et représentée aux figures, le bras 2 est logé dans la tête 3 ou au moins à l'intérieur d'un cylindre coaxial à la tête 3 et passant par le ou les points de celle-ci les plus écartés de l'axe longitudinal 4. Dans la seconde position extrême (non représentée) dite active, les bras 2 font saillie de la tête 3 d'une valeur maximale détermi- 

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 née par la course de chaque piston 8, cette course étant la même pour les trois pistons 8.

   En cours de forage, comme on le sait, les trois bras 2 font saillie de la tête 3, pour prendre appui contre la paroi du trou foré, dans une position active intermédiaire aux deux positions extrêmes ci-dessus. Avantageusement suivant les figures, chaque bras 2 comporte à son extrémité 7, pour la liaison au piston 8 correspondant, une rainure en T s'étendant sensiblement de l'extrémité 7 vers le pivot 5 dans la face tournée vers le piston 8. De son côté le piston 8 présente une tige 80 dont l'extrémité libre présente un profil en T adapté à la rainure en T, les branches 81 du profil en T étant bombées de façon biconvexe pour permettre une articulation à jeu limité du profil en T dans ladite rainure lors d'un déplacement du bras 2 par le piston 8. 



   De préférence la commande 1 comporte des moyens de commande 10 décrits ci-après, pour déplacer chacun des pistons 8 à partir de la différence de pression dans le fluide de forage, entre deux endroits dans l'écoulement de ce fluide, et des moyens de synchronisation 11 des pistons 8 pour que ceux-ci soient déplacés simultanément d'une même amplitude et dans un même sens entre position de repos et position active de façon à maintenir aussi coaxiale que possible la tête de forage 3 dans le trou en cours de forage, même en cas d'un manque de circularité de ce trou, et de façon à s'opposer aux forces latérales connues auxquelles est soumise la tête 3 en cours de forage. 



   Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, les axes longitudinaux 12 des pistons 8 sont tangents à un cylindre fictif coaxial à la tête 3 et les trois axes 12 sont avantageusement compris, au moins dans le cas de l'exemple de réalisation illustré aux figures, dans le plan de la coupe de la figure 2, perpendiculaire à l'axe longitudinal 4. Par exemple un 

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 second groupe (non représenté) de trois pistons 8 pourrait être agencé dans la même tête 3 pour que leurs axes 12 soient aussi dans un autre plan parallèle au plan de la coupe susdite. 



   Le fluide de forage peut agir directement sur les pistons 8. Cependant comme déjà mentionné cidessus et comme cela apparaîtra clairement ci-dessous, il est préférable que le fluide de forage agisse indirectement, au moins d'un côté, sur les pistons 8. A cet effet, les moyens de commande comportent un piston annulaire 13 de même axe 4 que la tête 3 et agencé dans un cylindre 14 formé dans cette dernière. Le déplacement du piston annulaire 13 est délimité par exemple par deux circlips 15 appropriés disposés dans le cylindre 14. Le piston annulaire 13 comporte une tige de guidage 16 creuse et est équipé sur sa surface externe de deux joints d'étanchéité annulaires 17 et 18 dont le tôle est expliqué ci-après. 



   Le piston annulaire 13 comporte un passage axial 20 aménagé pour l'écoulement du fluide de forage vers les divers ajutages de la tête de forage 3. L'entrée de ce passage 20 suivant le sens d'écoulement du fluide de forage (flèche 19) est une surface tronconique 21 dont le diamètre se réduit dans le sens de la flèche 19. Cette surface tronconique 21 ainsi que la face d'extrémité 22 du piston annulaire 13 située en amont sont destinées à recevoir la pression du fluide de forage qui traverse le piston annulaire 13. 



   Le piston annulaire 13 comporte aussi une surface annulaire 23, par exemple parallèle à la face d'extrémité 22, qui est située à l'opposé de cette face 22 par rapport au joint d'étanchéité 18 et qui délimite un volume d'huile hydraulique contenue dans le cylindre 14 pour presser cette dernière hors du cylindre 14 lorsque le fluide de forage déplace par sa pression le piston annulaire 13 dans le sens de la flèche 19. 

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  Suivant l'exemple de réalisation des figures, le cylindre 14 et les chambres 9 des pistons 8 sont en communication pour que l'huile hydraulique pressée hors dudit cylindre 14 provoque le déplacement de chaque piston 8 pour faire pivoter chaque bras 2 vers une position active. Les joints d'étanchéité annulaires 17 et 18 empêchent l'huile hydraulique de s'échapper dans le fluide de forage en raison de la pression qui lui est communiquée. 



   Les moyens de synchronisation   11   susdits comportent de préférence suivant l'invention une crémaillère 24 par exemple taillée d'une pièce dans chaque piston 8 et engrenant avec une couronne dentée 25 coaxiale à la tête de forage 3. 



   Avantageusement suivant l'invention, la couronne dentée 25 est montée dans une chambre étanche 26 qui est dans le prolongement du cylindre 14, du côté en aval de ce dernier par rapport à l'écoulement du fluide de forage. La couronne dentée 25 tourne alors librement autour de la tige de piston 16, qui lui sert de pivot, en fonction du déplacement des pistons 8. Dans le montage illustré à la figure 1, la couronne dentée 25 est localisée axialement d'une part par une bague 27 arrêtée par un des circlips 15 susdits, situé du côté en aval du cylindre 14, et d'autre part par le fond de la chambre 26 situé du côté en aval de celle-ci. Le joint torique d'étanchéité 17 est situé sur la tige de piston 16 en aval du fond de la chambre 26 dans un alésage approprié au guidage étanche de cette tige de piston 16. 



  L'huile hydraulique susdite remplit alors aussi la chambre 26 et sert de lubrifiant pour la rotation et pour l'engrènement de la couronne dentée 25. En outre la chambre 26 établit pour l'huile la communication entre le cylindre 14 et les fonds des chambres 9, du côté opposé aux tiges 80 des pistons 8. 

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   De préférence, suivant l'invention chaque piston 8 est entièrement soumis à l'action de l'huile hydraulique, c'est-à-dire que, par exemple un conduit 27 est formé au travers du piston 8 (figure 2, piston de droite) pour que l'huile hydraulique soit présente des deux côtés du piston 8 dans la chambre 9 et, par le jeu de fonctionnement, sur la face latérale du piston 8. 



  Ainsi est réalisée une lubrification du piston 8 et ainsi est évitée une entrée de fluide de forage dans les chambres 9 lors du retour des pistons 8 dans celles-ci. 



  Cette chambre 9 est rendue étanche par rapport à l'extérieur de la tête de forage 3 par une bride de fermeture 28 connue en soi munie d'un joint torique d'étanchéité 29 entre elle-même et la tête 3 et d'un joint torique 30 entre elle-même et la tige de piston 80. 



   Avantageusement, chaque piston 8 comporte autour de sa tige 80, de section transversale inférieure à la section correspondante du piston 8, un ressort 31 de rappel de force déterminée. Ce ressort 31 prend appui sur la bride 28 pour pousser le piston 8 en position de repos lorsque la pression du fluide de forage n'est pas suffisante pour surmonter la force de ce ressort 31. 



   Lors du fonctionnement de la tête de forage 3, le fluide de forage présente à l'endroit de son écoulement en amont du piston annulaire 13 une pression supérieure à celle de l'endroit de son écoulement dans le trou foré, entre tête de forage 3 et paroi du trou. 



  Cette différence de pression appliquée sur la surface tronconique 21 et sur la face d'extrémité 22 provoque le déplacement du piston annulaire 13 dans le sens de la flèche   19 ; à   partir de la position de repos représentée aux figures. Par son déplacement, le piston annulaire 13 chasse l'huile hydraulique, contenue dans le cylindre 14, vers les trois chambres 9 via la chambre 26. La quantité d'huile ainsi chassée, pour ménager un volume de réception, repousse chacun des pistons 8 hors de 

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 leurs chambres 9 vers l'extérieur de la tête de forage 3, l'huile située du côté des tiges 80 dans les chambres 9 étant envoyée automatiquement du côté des fonds des chambres 9 via les conduits 27, pour s'y ajouter à la quantité d'huile chassée et pour faire sortir d'autant plus les pistons 8.

   Les pistons 8 poussent les bras 2 correspondants jusqu'à ce que ceux-ci soient en contact avec la paroi du trou foré. La couronne dentée 25 et les crémaillères 24 sont agencées pour que dans ce mouvement les trois bras se déplacent simultanément et d'une même amplitude de façon qu'en prenant tous trois appui sur ladite paroi ils maintiennent ou ramènent la tête de forage 3 dans l'axe du trou. Par le dimensionnement des surfaces 21,22, sous la pression du fluide de forage et sous la force des ressorts 31, il est possible de régler la force des bras de stabilisation 2 pour contrecarrer les forces latérales nuisibles auxquelles la tête 3 est soumise en cours de forage et qui tentent de la faire rouler contre la paroi latérale du trou. 



   Les courses et dimensions des éléments mis en oeuvre peuvent aisément être calculées par l'homme du métier. 



   Pour une tête de forage 3 de 8 1/2 pouces (215,9 mm) de diamètre nominal et pour une différence de pression de 100 psi (0,689 MPa) on peut obtenir, lorsqu'un seul bras 2 touche la paroi du trou, une force de 180 kg (1764N) au bout de ce bras 2 et lorsque les trois bras 2 touchent la paroi une force de 60 kg (588 N) au bout de chaque bras 2, et cela par l'engrenage de la couronne dentée 25 et des trois pistons 8 à crémaillère 24. 



   Il doit être entendu que l'invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et que bien des modifications peuvent être apportées à ces dernières sans sortir du cadre de l'invention. 

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   Ainsi les bras 2 peuvent présenter les revêtements antiusure et les formes les plus appropriées au trou en cours de forage.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS 1. Commande (1) d'au moins deux bras de stabilisation (2) dans un dispositif de forage ou de carottage, en particulier de bras de stabilisation (2) dans une tête de forage (3) ou de carottage, chaque bras (2) étant décalé par rapport à l'autre sur la périphérie de la tête (3) et ayant une extrémité montée à pivotement autour d'un axe (6) parallèle à l'axe (4) de la tête de forage (3) de manière à ce que l'extrémité libre (7) du bras (2) soit située en amont dudit axe de pivotement (6) par rapport au sens de rotation (77) de la tête (3) en cours de forage, la commande étant caractérisée en ce qu'elle comprend, par bras (2), un piston (8) agencé pour faire pivoter le bras (2) autour de l'axe (6) susdit afin que l'extrémité libre (7) du bras (2) occupe deux positions extrêmes,

   une première position dite de repos dans laquelle le bras est logé dans la tête (3) et une seconde position dite active dans laquelle ladite extrémité libre (7) fait saillie par rapport à cette tête (3), des moyens de commande (10) et des moyens de synchronisation (11) étant agencés respectivement pour déplacer les pistons (8) à partir du fluide de forage et pour que les pistons (8) agissent sensiblement simultanément dans un même sens et suivant une même amplitude.
2. 2. Commande (1) suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les axes longitudinaux (12) des pistons (8) sont tangents à un cylindre fictif coaxial à la tête (3), et de préférence en ce qu'ils sont compris dans au moins un plan transversal à l'axe (4) de la tête de forage (3).
3. 3. Commande (1) suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les moyens de commande (10) des pistons (8) comprennent un piston annulaire (13), coaxial à la tête (3), agencé pour pouvoir être déplacé suivant leur axe (4) commun dans un <Desc/Clms Page number 11> cylindre (14) formé dans la tête (3) et profilé, d'une part, pour être actionné par le fluide de forage et, d'autre part, pour agir sur un fluide qui actionne chacun des pistons (8) susdits et qui est contenu dans le cylindre (14) en communication avec les chambres (9) des pistons (8).
4. 4. Commande (1) suivant l'une ou l'autre des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que les moyens de synchronisation (11) comprennent une crémaillère (24) agencée sur chacun des pistons (8) et une couronne dentée (25) coaxiale à la tête (3) et engrenant avec toutes les crémaillères (24) associées aux pistons (8).
5. 5. Commande (1) suivant l'une ou l'autre des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que la couronne dentée (25) est montée autour du piston annulaire (13) de manière à pouvoir tourner librement autour de celui-ci et est logée dans une chambre (26) étanche communiquant avec les chambres (9) des pistons (8) et avec le cylindre (14) susdit.
6. 6. Commande (1) suivant la revendication 5, caractérisée en ce que la chambre (9) de chaque piston (8) et/ou ce dernier sont agencés pour que le piston (8) soit entièrement soumis à l'action du fluide, la section transversale de la tige de piston (80) étant de préférence inférieure à la section correspondante du piston (8).