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La présente invention concerne les perforatrices à percussion et plus particulièrement les perforatrices du type "à orifice vers le bas o'est-à-dire les perforatrices que l'on introduit dans l'orifice perforé.
Ces perforatrices sont utilisées communément pour percer des trous d'un très grand diamètre. Quand le sol est relativement mou, on utilise les perforatrices du type rotatif n'agissant pas par percussion, telles que celles utilisant un trépan du type à galet à trois cônes.
Au contraire, quand on rencontre des roches dures, il est nécessaire d'em- ployer une perforatrice du type à percussion.
L'un des buts de la présente Invention est donc de réaliser une perforatrice du type à percussion que l'on puisse adapter facilement pour l'utiliser avec un dispositif rotatif de perforation.
Le principal avantage obtenu en introduisant la perforatrice dans l'orifice perforé est que le coup de marteau n'a pas à se déplacer à travers un grand nombre de sections de tiges de perforation et qu'on évite ainsi la perte correspondante d'énergie. Cependant en plaçant l'outil de perforation au fond de l'orifice, on ne peut pas offrir à la perforatrice un support approprié et la réaction produite par le mouvement alternatif du piston dans le cylindre fait vibrer violemment la machine de perforation tout entière.
Le deuxième but de la présente invention est donc de réaliser une perforatrice du type "à orifice vers le bas", avec un moyen simple et peu coûteux pour absorber la réaction résultant du fonctionnement du piston dans sa chambre.
En raison de la rareté de l'eau dans certaines régions, et à cause de nombreuses autres difficultés qui se présentent dans le cas du forage humide, il est préférable, pour percer des orifices d'un grand diamètre,d'utiliser un fluide sous pression pour évacuer les débris de roche de l'orifice perforé. Cependant un problème difficile reste à résoudre pour faire arriver assez de fluide sous pression au fond de l'orifice et pour maintenir un courant de fluide suffisant capable d'entraîner les débris rocheux.
Un autre but de l'invention est donc de réaliser une perforatrice du type à "orifice vers le bas qui fournisse une quantité adéquate de fluide de nettoyage au fond de l'orifice perforé.
L'invention se propose aussi de réaliser sur la perforatrice un moyen supplémentaire qui assure vers le haut et à travers l'orifice perforé un courant de fluide suffisant pour entraîner les débris de roche jusqu'à la surface.
D'autres buts de l'invention apparaîtront avec évidence ou seront soulignés particulièrement au cours de la description qui va suivre.
On peut dire que le dispositif permettant d'atteindre les buts mentionnés ci-dessus comprend essentiellement quatre parties principales; un carter de perforation que l'on peut introduire dans l'orifice perforé, un organe d'amortissement, dés sections de tiges de perforation reliant le carter et l'organe d'amortissement, et enfin une source de puissance pour faire tourner l'ensemble.
Les sections de perforation en acier sont d'un type bien connu comportant des canaux qui traversent les parties centrales de manière à former un conduit destiné à diriger le fluide sous pression dans le carter. l'organe d'amortissement comprend un élément fixe longitudinalement du type piston, fixé sur l'arbre du moteur rotatif, et un cylindre qui peut coulisser par rapport à l'élément fixe et coopérer avec lui pour former une chambre d' amortissement. Le cylindre et le piston sont munis de canaux, coaxiaux avec les canaux des sections adjacentes de tiges de perforation, de sorte que le fluide sous pression peut traverser l'organe d'amortissement pour
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arriver dans les dites sections.
Du fait que la chambre formée à l'intérieur de l'organe d'amortissement a une section plus grande que les canaux de ±lui- de sous pression, tout mouvement relatif du cylindre par rapport au piston produit un effet d'amortissement. Pour augmenter cet effet, le piston comporte un prolongement central, qui s'ajuste avec serrage dans une cavité correspondante prévue dans la chambre d'amortissement et définie par le cylindre coulissant. Quand ce prolongement pénètre dans cette cavité, la communication est coupée entre une chambre annulaire d'amortissement et les canaux de fluide sous pression, mais l'écoulement du fluide à travers les canaux de l'organe d'amortissement et les sections de tiges de perforation n'est pas troublé.
De cette manière, on obtient une compression adiabatique dans la chambre annulaire d'amortissement, sans interrompre l'écoulement du fluide sous pression à travers l'outil.
Le carter est accouplé aux sections de tiges de perforation au fond de l'orifice perforé et définit en général une chambre cylindrique dans laquelle se trouve un piston animé d'un mouvement alternatif. Le carter contient également un moyen approprié à valve pour charger alternativement de fluide sous pression les parties terminales de la chambre de piston. A l'extrémité inférieure de cette chambre se trouve un orifice, qui communique avec le fond du trou perforé, à travers un canal central prévu dans l'outil de perforation. Un canal similaire est prévu dans le piston et se trouve disposé coaxialement avec le canal de l'outil.
Le carter définit également un moyen supplémentaire à valve qui, quand il est actionné par le piston, évacue le fluide détendu des deux extrémités de la chambre de piston à travers les canaux du piston et de l'outil jusqu'au fond de la perforation.
Dans la partie arrière de tête du carter de perforation se trouvent plusieurs canaux qui font communiquer le conduit central d'a imentation en fluide sous pression avec les parties périphériques de l'orifice perforé en évacuant ainsi du fluide non détendu dans la perforation, près du point où la section annulaire de celle-ci augmente. Ce fluide coopère avec celui livré au fond de la perforation pour transporter les débris de roche jusqu'à la surface du sol.
Sur le dessin annexédans lequel les pièces analogues sont désignées par les mêmes nombres de référence :
La figure 1 est une vue extérieure du dispositif conforme à l'invention, avec coupe partielle, et représente les positions relatives des différents éléments constitutifs.
La figure 2 est une coupe longitudinale du carter de perforation suivant la ligne 2-2 de la figure 4, et dans la direction des flèches; elle montre le mécanisme de percussion de l'outil et le dispositif débitant du fluide sous pression au fond de la perforation pour évacuer les débris.
La figure 3 est une coupe transversale faite suivant la ligne 3-3 de la figure 2 et dans la direction des flèches; elle montre le verrouillage mutuel du carter et de l'outil, grâce auquel la rotation du premier est transférée au second.
La figure 4 est une vue extérieure de la partie entraînée en rotation par le moteuro
La figure 5 est une coupe longitudinale de l'organe d'amortissement suivant la ligne 5-5 de la figure 4.
La figure 6 est une coupe transversale, suivant la ligne 6-6 de la figure 5 et dans la direction des flèches; elle montre le verrouillage mutuel entre la partie coulissante et la partie non coulissante de l'organe d'amortissement, ce verrouillage permettant de réaliser la rotation du dispositif de perforation.
La figure 7 est une coupe transversale suivant la ligne 7-7 de la figure 4 et dans la direction des flèches; elle montre le moyen prévu sur
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la tête arrière du carter pour maintenir dans l'orifice perforé un courant suffisant de fluide dirigé vers le haut.
Si on se réfère maintenant au dessin, dans le but de décrire d' une manière détaillée un mode de réalisation préféré de l'invention, et en particulier à la figure 1, on y voit un moteur rotatif 10 actionné par du fluide sous pression arrivant d'une source appropriée (non représentée) à travers la conduite 12. La puissance développée par ce moteur est transmise par l'arbre 14 et deux roues dentées 16 à un arbre 18. A son extrémité libre 20, l'arbre 18 est vissé dans un dispositif d'amortissement
22 destiné à absorber la réaction résultant du fonctionnement de la perfora- trice. L'organe d'amortissement 22 est lui-même relié par pas de vis à une série de sections 24 de tiges de perforation, qui sont connectées à un carter de perforations 26 susceptible d'être introduit dans l'orifice per- foré.
Un outil de perforation 28 est Introduit dans le carter 26 de manière, a pouvoir y coulisser; quand il est actionné par la perforatrice, il transmet les coups de percussion de celle-ci aux roches de manière à les briser. Le carter 30 du moteur comporte un conduit supplémentaire 32 pour amener du fluide sous pression, à partir d'une source appropriée (non représentée), sur l'arbre 18 et de là dans le carter de perforation 26 par l'intermédiaire de l'organe d'amortissement 22 et des sections 24. Le chemin suivi par le fluide sous pression alimentant le carter 26 peut être indiqué en se référant à la figure 4. L'arbre 18 comporte un alésage central 34 coaxial avec un alésage analogue 36 prévu dans l'organe fixe 38 du moyen d'amortissement 22.
D'une manière analogue, l'organe coulissant 40 du moyen d'amortissement 22 comporte aussi un canal central 42 coaxial avec les canaux centraux 44 formés dans les sections 24.
Les canaux 44 débitent le fluide dans un canal correspondant 46 formé dans le carter 26, où un moyen approprié à valve 80 charge alternativement les parties terminales de la chambre 48 de ce carter. A partir de celle-ci, le fluide se détend et traverse un alésage central 50 de l'outil 28, où il est débité au fond de l'orifice perforé.
La rotation de l'arbre 18 fait tourner l'organe fixe 38 du moyen d'amortissement 22, puisque ces deux organes sont vissés l'un sur l'autre en 52. L'organe fixe 38 comporte une série de cannelures 54 à une extrémité; ces cannelures se verrouillent avec une série de cannelures correspondantes 56 (figure 5) disposées sur l'organe coulissant 40, le jeu entre les cannelures étant suffisant pour permettre au carter 40 de coulisser par rapport à l'organe fixe 38 (figure 6). A son autre extrémité 58, le carter 40 est vissé en 60 sur les sections 24, qui sont elles-mêmes vissées en 62 sur le carter 26. La rotation du carter 40 entraine par conséquent une rotation correspondante des sections 24 et du carter 26.
Celui-ci est muni à son extrémité avant d'une cavité 64 destinée à recevoir l'outil de perforation 28; cette cavité contient une série de cannelures 66, qui s'engagent dans des canelu- res correspondantes 68 prévues à la périphérie extérieure de l'outil 28, de manière que la rotation du carter soit communiquée à l'outil (figure 3).
Si on considère maintenant la figure 2, en vue de décrire d'une manière détaillée le mécanisme de percussion et le moyen permettant de faire arriver le fluide sous pression au fond de l'orifice perforé, on y voit que le carter 26 définit une chambre cylindrique 48, dans laquelle .un marteau piston 70 est commandé, en réponse à l'expansion du fluide dans la chambre, pour frapper l'outil 28 monté coulissant dans le carter de perforation 26.
Une communication est établie au moyen d'un canal 72 entre la chambre 48 et la cavité 64, qui reçoit l'outil 28; cette commmunication est normalement ouverte quand le piston 70 se trouve dans la partie arrière 74 de la chambre 48, mais elle est fermée par le piston quand celui-ci se trouve dans la partie d'extrémité avant 76 de la chambre 48. Le piston 70 comporte un canal 78 coaxial avec le canal 50 de l'outil 28, de sorte que la partie arrière 74 de la chambre 48 communique avec le fond de l'orifice perforé quand le piston occupe sa position extrême avant.
Ainsi, l'extrémité avant 76 de la
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chambre 43 communique avec le fond de l'orifice perforé, toutes les fois que le piston 70 se trouve dans sa position arrière, et la partie arrière 74 de la chambre du piston communique avec le fond de l'orifice perforé toutes les fois que le piston se trouve dans sa position extrême avant.
Un mécanisme approprié à valve 80 est prévu dans le carter de perforation 26 pour charger alternativement en fluide sous pression les parties terminales de la chambre 48. Ce mécanisme 80 comprend deux organes 82 et 84 percés d'alésages centraux 86 destinés à recevoir une tige cylindrique 88. A son extrémité arrière 90, la tige 88 est munie d'une cavité 92 communiquant avec la conduite 46 d'alimentation en fluide; à son extrémité avant 94, la tige 88 s'étend au-delà du mécanisme 80 jusque dans la chanbre 48, où elle coopère avec le canal 78 du piston 70 pour commander l'écoulement du fluide à partir de la portion arrière 74 de la chambre 48 jusqu'au fond de l'orifice perforé.
L'organe 82 comporte une chambre annulaire 96, qui communique avec l'extrémité avant 76 de la chambre 48 au moyen d'un canal 98 prévu dans la paroi 100 du carter 26, et également avec la cavité 92 de la tige 88 par l'intermédiaire des canaux 102 prévus dans celle-ci. Le fluide sous pression venant de la conduite d'alimentation 46 est dirigé à partir de la cavité 92 et par l'intermédiaire des canaux 102, dans la chambre 96, d'où il s'écoule à travers le canal 98 dans l'extrémité avant 76 de la chambre 48. L'organe 82 comporte aussi une cavité 104 et un canal 106 communi- quant avec une chambre annulaire 108 de l'organe 84.
Un autre canal 110 de l'organe 84 fait communiquer la chambre 108 avec la partie arrière 74 de la chambre 48. De cette manière, le fluide sous pression débité par la conduite d'alimentation 46 est dirigé par le canal 106 dans la chambre 108, et de là dans la chambre 48 du piston à travers le canal 110.
Les organes 82 et 84 coopèrent pour définir une chambre 112 destinée à un tiroir en forme de manchon 114, qui est prévu pour commander 1' écoulement du fluide dans la chambre du piston. La partie supérieure ou arrière 116 du tiroir 114 est interposée entre la tige 88 et l'organe 82 et commande la communication entre les canaux 102 de la tige 88 et la chambre annulaire 96 de l'organe 82. La partie inférieure ou avant 118 du tiroir 114 est interposée entre les organes 82 et 84 et commande la communication entre le canal 106 de l'organe 82 et le canal 110 de l'organe 84.
Le tiroir 114 est actioné par le fluide sous pression qui sort de la chambre 48 du piston et qui s'écoule dans deux canaux 120, 122 prévus dans la paroi 124 du carter 26. Quand le piston 70 découvre le canal 120, le fluide venant de l'extrémité avant 76 de la chambre 48 du piston peut passer sur la surface inférieure 126 du tiroir 114, qui est poussé jusqu'à sa position supérieure limite. Quand le piston 70 découvre le canal 122, le fluide sous pression de la partie arrière 74 de la chambre 48 passe sur la surface opposée ou supérieure 128 du tiroir 114, qui est poussé jusqu'à sa position inférieure limite.
A l'instant du fonctionnement représenté sur le dessin, le piston 70 est représenté au moment de son impact sur l'outil 28. Le tiroir 114 se trouve dans sa position Inférieure qui permet la communication entre la cavité 92 de la tige 88 et la chambre 96 de l'organe 82. Le fluide livré ainsi à l'extrémité avant 76 de la chambre 43, à travers le canal 98, déplace le piston 70 vers le haut, c'est-à-dire vers le mécanisme à valve 80.
Le piston 70 fait alors entrer la tige 83 dans le canal central 78 qui s'étend sur toute la longueur du piston 70, en empêchant ainsi la communication entre la partie arrière 74 de la chambre 48 et l'outil 28. Quand le piston 70 a découvert le canal 120 du carter 26, le fluide se trouvant dans l'extrémité avant 76 de la chambre 48 s'écoule sur la face inférieure 126 du tiroir 114, où il agit de manière à faire passer le tiroir à sa position supérieure Dans cette position,
le tiroir 114 coupe s'écoulement du fluide vers l'extrémité avant de la chambre 48 et permet au fluide de s'écouler à travers le canal 110 dans la partie arrière 74 de la chambre 48 Le fluide de l'ex- trémité avant 76 de la chambre $3 s'échappe alors à travers l'outil de per-
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fora'L'ion 28 jusqu'au fond de l'orifice perforé. puisque le piston 70 s'est retiré entièrement de l'ouverture 72, entre la chambre 48 et la cavité 64 de l'outil 28.
Quand une quantité suffisante de fluide a été fournie à la partie arrière 74 de la chambre 48, le piston 70 se déplace vers le bas pour exécuter sa course motrice. Pendant cette course, le piston découvre le canal 122 du carter 26 et permet au fluide de passer sur la face supé- rieure 128 du tiroir 114, ce qui entraîne celui-ci jusqu'à sa position in- férieure. Le fluide est alors dirigé à travers le canal 98 dans l'extrémité avant 76 de la chambre 43. Pendant que le piston 70 se déplace vers le bas il retire la tige 88 du canal 78 et la partie arrière 74 de la chambre 48 est mise en communication avec le fond de l'orifice perforé, par l'intermé- diaire du canal 78 et du canal 50 prévu dans l'outil 28.
De cette manière, le fluide se trouvant dans la chambre 48 se détend et s'échappe alternati- vement des parties terminales respectives de la chambre, à travers le canal
50 de l'outil 28, jusqu'au fond de l'orifice perforé.
Le diamètre du carter 26 n'est que légèrement inférieur à celui de l'orifice perforé; en conséquence, la zone annulaire entourant ce carter est très pe tite. Du fait que cette zone annulaire est petite, le courant de fluide détendu s'éloignant du fond de l'orifice et montant le lorg du carter est très rapide et plus que suffisant pour entraîner les débris de roche et les éloigner du fond de l'orifice. Cependant, du fait que les sections 24 ont un diamètre beaucoup plus faible que celui du carter 26, la zone annulaire de l'orifice augmente en un point voisin de la partie arrière de tête 130 du carter 26. En conséquence, la vitesse du fluide diminue brusquement et ne peut plus entraîner les débris de roche vers le haut à travers 1' orifice.
Pour surmonter cette difficulté, l'invention prévoit sur la partie 130 un certain nombre de canaux 132 communiquant avec la conduite centrale d'alimentation 46, de manière à faire passer le fluide non détendu de la conduite d'alimentation dans les parties périphériques de l'orifice perforé, en un point adjacent à la zone annulaire élargie. Le fluide supplémentaire ainsi introduit dans l'orifice coopère avec le fluide détendu venant du fond de l'orifice en vue de chasser les débris de roche vers le haut et à l'extérieur de l'orifice.
Le moyen d'amortissement 22 (figure 5) comprend un organe fixe 38 analogue à un piston et un carter cylindrique coulissant 40, qui forme une chambre d'amortissement 134 en coopération avec l'organe 38. La partie centrale 138 du piston 38 se prolonge par une partie cylindrique 136, qui est susceptible de s'ajuster dans une cavité cylindrique correspondante 140 prévue dans le carter coulissant 40, dans le but d'empêcher la communication entre la chambre 134 d'amortissement et la conduite centrale d'alimentation 42, et de réaliser ainsi une compression adiabatique toutes les fois qu.' un déplacement suffisamment important se produit entre le carter 40 et le piston fixe 38.
Puisque les canaux 36 et 42 de fluide sont disposés le long de l'axe central du moyeu d'amortissement 22, l'introduction du prolongement 136 dans la cavité 140 ne gêne pas l'écoulement du fluide dans le carter de perforation 26.
Il est évident pour les techniciens, après la lecture de la description précédente, qu'on peut apporter de nombreuses modifications au mode de réalisation, préféré sans sortir pour cela du domaine de l'invention l'invention n'est donc nullement limitée par le mode de réalisation unique décrit ci-dessus.
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