<Desc/Clms Page number 1>
L'invention concerne des dispositifs d'équilibrage de la pression dans des joints étanches, servant à rendre étanches les cavités remplies de liquide dans les portions souterraines des appareils de forage, en particu- lier de ceux qui comportent des têtes de forage actionnées par des turbines hydrauliques ou des moteurs électriques, A l'encontre des appareils de fora- ge dont la tête de forage est actionnée à la surface du sol par une table rotative, les têtes de forage des appareils en question sont actionnées di- rectement par un moteur monté à côté de la tête de forage, à l'extrémité de la tige dans le cas d'une turbine ou à l'extrémité d'un conducteur électri- que dans le cas d'une commande par un moteur électrique. Le mouvement de rotation de la tige de forage peut.être très lent pour l'empêcher de se coin- cer.
Les appareils de forage souterrains comportent des cavités rem- plies de liquide, telles que des cavités de portée remplies de lubrifiant ou des enveloppes de moteur remplies d'huile. Les ouvertures de passage des arbres rotatifs passant dans ces cavités ou en sortant doivent être rendues étanches pour empêcher le liquide qu'elles contiennent de s'en échapper. Ces cavités sont remplies de liquide (ce terme devant être considéré comme dési- gnant aussi des semi-liquides, tels que des graisses) à la surface du sol à la-pression atmosphérique, et lorsqu'on fait descendre l'appareil de forage dans un trou de sonde remplie de boue, la pression hydrostatique augmente en dehors de la cavité.
En raison de la différence considérable de pression qui prend ainsi naissance, à la profondeur souvent atteinte dans les puits de pétrole, entre l'extérieur et l'intérieur de la cavité, la boue a tendan- ce à pénétrer dans la cavité en passant par les joints qui ne sont pas des- tinés à résister à ces différences de pression excessives. Cet inconvénient devient encore plus grave, lorsqu'on fait monter et descendre la tête de fora- ge à plusieurs reprises dans le trou de forage, et qu'une sorte d'effet res- piratoire s'établit et a tendance à remplacer l'huile de la cavité par la boue de forage.
La boue qui pénètre dans la cavité remplie d'huile en souille le contenu et provoque l'usure¯par frottement des portées, du moteur électrique ou autres éléments en mouvement de rotation dans la cavité.
Pour empêcher cette pénétration de la boue, une solution connue consiste à équilibrer la pression à l'intérieur et à l'extérieur de la cavi- té au moyen d'un ou plusieurs pistons d'équilibrage, qui lorsqu'ils subissent l'action de la boue de forage dans le trou de sonde, compriment le liquide contenu dans la cavité, en faisant ainsi augmenter la pression dans la cavité et la maintenant à peu près égale à la pression de la boue à l'extérieur.
La différence de pression entre l'extérieur et l'intérieur de la cavité peut être ainsi maintenue assez faible pour que les joints ordinaires à basse pres- sion puissent rendre la cavité étanche et empêcher la boue extérieure d'y pénétrer.
Un grave inconvénient des pistons d'équilibrage consiste dans la formation par la boue en contact avec une face d'un piston d'équilibrage, sur la surface du cylindre dans lequel le piston est mobile, d'un dépôt qui em- pêche les mouvements du piston sous l'effet des variations de la pression hydrostatique qui résultent des mouvements de montée et de descente de l'ap- pareil de forage dans le trou de sonde. Par conséquent la pression dans la cavité diffère de la pression de la boue extérieure et la différence de pres- sion entre l'intérieur et l'extérieur de la cavité peut encore devenir supé- rieure à celle à laquelle les jointspeuvent résister et par suite la boue pénètre dans la cavité.
Suivant l'invention le joint étanche de la portion souterraine d'un appareil de forage comporte un élément d'équilibrage de la pression en forme de membrane ou diaphragme, flexible dont un côté subit l'action de la
<Desc/Clms Page number 2>
pression de la boue à l'extérieur de la cavité et l'autre celle du liquide contenu dans la cavité. La membrane ou diaphragme qui peut être en métal ou matière plastique est assez flexible pour faire varier le volume à l'inté- rieur de la cavité dans une mesure suffisante pour faire augmenter la pres- sion à l'intérieur de la cavité à une valeur sensiblement égale à celle de la pression de la boue. Les pressionsà l'intérieur et à l'extérieur de la cavité sont ainsi sensiblement égales.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, un appareil de forage du type comportant un moteur qui fait tourner la tête de forage et est monté à côté d'elles de façon à descendre dans le trou de sonde en fonc- tionnant avec la tête contient une cavité remplie de liquide avec au moins un joint étanche liquide autour d'un élément en mouvement à l'endroit où il sort de la cavité, et susceptible de subir l'action d'une pression hydrosta- tique extérieure considérable et la cavité comporte au moins un dispositif d'égalisation de la pression sous forme.de membrane flexible ou de diaphrag- me en contact d'un côté avec le liquide contenu dans la cavité et de l'autre subissant l'action de la pression hydrostatique extérieure, de façon à faire varier la pression du liquide dans la cavité avec la pression hydrostatique,
extérieure et à maintenir de part et d'autre du joint une différence de pres- sion au moins d'une faible valeur déterminée.
Le diaphragme flexible peut être formé par au moins un soufflet de forme générale cylindrique, situé à l'intérieur de la cavité et monté sur un bouchon de base fileté percé d'un canal central, et pouvant se visser dans un troufileté percé dans la paroi de la cavité, de sorte que le soufflet se trouve à l'intérieur de la cavité.
Suivant une variante, la membrane peut être formée par un souf- flet de forme annulaire creuse etêtre montée sur un élément annulaire file- té percé d'un canal au moins faisant communiquer l'intérieur du soufflet an- nulaire avec l'extérieur de la cavité. L'élément annulaire peut se visser dans une ouverture filetée ménagée dans la paroi de la cavité et entourer par exemple un arbre rotatif ou allant et venant ou un câble électrique. Le soufflet est disposé à l'intérieur de la cavité.
Suivant une autre variante la membrane est une membrane plane ondulée .
La cavité remplie de lubrifiant dans laquelle l'élément d'équili- brage de la pression est monté peut être rendue étanche par une garniture effective et/ou par un ou plusieurs dispositifs d'étanchéité formés par un long canal, étroit, de section réduite.
Le dispositif d'équilibrage de la pression peut'faire partie du soufflet d'une garniture effective comportant un élément de garniture char- gé par un ressort en partageant le soufflet par un gradinenideux portions de diamètres différents.
La pression de la boue est transmise par tous ces types de souf- flets ou de membranes à l'intérieur de la cavité. Les variations de la pres- sion hydrostatique de la boue provoquent la dilatation ou la contraction du soufflet en faisant ainsi varier le volume et la pression dans la cavité dans les conditions qu'on désire.
Lorsqu'on incorpore un dispositif d'équilibrage de la pression sui- vant l'invention dans une cavité remplie de lubrifiant, à utiliser en com- binaison avec la portion souterraine d'un appareil de forage, la variation de volume de la cavité doit être calculée en tenant compte de la compressi- bilité du liquide dans la cavité (la diminution de volume de l'huile lubri- fiante peut atteindre 5 % à la pression existant dans les puits de pétrole) ainsi que des variations de la pression de la boue éventuelles. Puis on fixe
<Desc/Clms Page number 3>
les dimensions du diaphragme flexible conformément à la variation du volume de la cavité. De préférence, on normalise les dimensions du soufflet et on détermine le nombre de ces soufflets à employer en combinaison avec une ca- vité donnée, d'après le calcul de la variation du volume de la cavité.
Il est évident qu'en raison de l'absence d'éléments en mouvement tels que des pistons, les différences de pression entre l'intérieur et l'extérieur de la cavité dues au frottemeni ou au coincement des pistons sur les surfaces souillées de boue des cylindres sont complètement suppri- mées et que si on emploie des diaphragmes ou soufflets flexibles pouvant fa- cilement se bomber en dedans ou en dehors, les pressions des deux côtés du dispositif d'équilibrage de la pression suivant l'invention sont sensible- ment égales à chaque instant et par conséquent,
la boue ne peut pas péné- trer dans la cavitéo
Lorsqu'on incorpore le dispositif d'équilibrage de la pression suivant l'invention dans une cavité remplie de lubrifiant qui renferme un coussinet situé au voisinage de l'extrémité de sortie d'une turbine hydrau- lique noyée actionnant une tête de forage rotative, il y a lieu de tenir compte de la position relative de cette cavité par rapport à la région de pression différentielle existant entre la pression de sortie de la turbine et la pression dans le trou de sonde, car il est extrêmement important que les pressionsextérieures qui s'exercent sur tous les dispositifs d'étanchéi- té d'une cavité soient sensiblement égales.
On peut arriver à ce résultat en montant la cavité dans la zone à haute pression, c'est-à-dire dans la ré- gion de la pression de sortie de la turbine ou dans la zone à basse pression, c'est-à-dire dans la région sous la pression du trou de sonde, de façon à loger complètement la cavité dans la région à la pression de sortie de la turbine ou dans la région à la pression du trou de sonde.
Le dispositif d'étanchéité destiné à séparer ces deux régions sous pression peut être très avantageusement du type d'un canal de section rédui- te, c'est-à-dire du type d'un joint comportant deux éléments tournant l'un par rapport à l'autre, montés sur les éléments qui tournent l'un par rapport à l'autre, ces éléments communiquant par un canal étroit, de grande longueur, qui établit une résistance suffisante pour maintenir la perte de charge de part et d'autre du joint, tandis qu'une très faible quantité de liquide seu- lement passe par ce canal de section réduite . Le canal de section réduite peut suivre une direction radiale ou axiale ou peut être du type conique.
Les canaux de passage de section réduite du type radial et coni- que peuvent être très avantageux lorsqu'on désire pouvoir régler la quantité de liquide passant dans le canal.
Pour réduire au minimum l'usure des éléments qui constituent le canal de section réduite, on peut recouvrir leur surface avec un matériau ré- sistant à l'usure. Ce matériau peut consister en caoutchouc ou en un alliage métallique possédant une forte résistance à l'usure, tel que les compositions connues sous le nom de la marque déposée "Stellite".
Quelques formes de réalisation de l'invention sont décrites ci- après à titre d'exemple avec le dessin ci-joint à l'appui, sur lequel : - la figure 1 représente une cavité remplie de lubrifiant et ren- fermant une portée de bout du rotor d'une turbine hydraulique actionnant une tête de forage ; - la figure 2 représente une variante de la figure 1; - la figure 3 représente une cavité remplie de lubrifiant renfer- mant une portée qui supporte le rotor de la turbine sous forme axiale et radiale ;
<Desc/Clms Page number 4>
- la figure 4 représente une variante de la figure 3 et - la figure 5 représente une autre forme du dispositif d'équili- brage de la pression combiné avec le dispositif d'étanchéité de la figure 3.
Suivant la forme de réalisation de la figure 1, une cavité 1 rem- plie de lubrifiant est entourée par un élément 2 monté sur plusieurs ailet- tes ou-nervures 3 de l'enveloppe 4 du stator d'une turbine hydraulique. La boue qui sert à actionner la turbine hydraulique est refoulée dans le trou de sonde par la tige de forage, non représentée, à l'extrémité inférieure de la- quelle l'enveloppe 4 du stator est réunie. La boue passe ensuite dans l'in- tervalle entre l'enveloppe 4, l'élément 2 et les nervures 3, comme l'indi- quent les flèches 5.
La cavité 1 remplie de lubrifiant est rendue étanche par des élé- ments de garniture 6 en caoutchouc dans lesquels passe l'extrémité supérieure 7 de l'arbre 8 de la turbine hydraulique. L'arbre 8 porte les ailettes 9 du rotor qui coopèrent avec les ailettes 10 du stator montées sur l'enveloppe 4 du stator. Les garnitures 6 sont maintenues en place dans l'élément 2 avec un roulement à rouleaux 11 par une bague filetée 12.
De plus, plusieurs soufflets cylindriques 13 (dont un seul est visible sur la figure 1) sont montés dans la cavité 1 et chacun d'eux compor- te un bouchon de base fileté 14 percé d'un -canal central 15. L'intérieur du soufflet 13 communique avec l'extérieur de'la cavité 1 remplie de lubrifiant par le canal 15 et, par suite, la pression de la boue de rorage s'exerce à l'intérieur du soufflet 13. Pour empêcher la pression dynamique de s'opposer au passage de la boue, la portion verticale du canal 15 est fermée à son ex- trémité par un bouchon à vis 16.
Avant de faire descendre l'appareil de forage à turbone hydrauli- que dans un trou de sonde, on remplit l'intérieur de la cavité 1 avec un lu- brifiant à la pression atmosphérique. Il faut avoir soin de ne laisser subsis- ter ni vapeur, ni air, dans la cavité 1 une fois qu'elle est complètement remplie, car il en résulterait des variations de volume considérables lors- que la pression augmente en dehors de la cavité 1. Le remplissage s'effectue au moyen de dispositifs connus tels que des raccords de graissage et orifices d'échappement d'air.
Lorsqu'on fait descendre l'appareil dans le trou de sonde et pen- dant son-trajet jusqu'au fond du trou, ainsi que pendant le mouvement d'avan- cement progressif qui résulte de la pénétration du trépan dans un gisement, la pression hydrostatique de la boue augmente progressivement au voisinage de l'élément 2. La pression à l'intérieur de la cavité 1 remplie de lubrifiant varie sensiblement dans la même mesure du fait que le volume de la cavité 1 varie par la compression et la dilatation du soufflet 13 de façon à rendre toujours sensiblement égales les pressions à l'intérieur et à l'extérieur de la cavité 1. Il est facile de voir quela flexibilité du soufflet 13 doit être suffisante pour limiter à une faible valeur acceptable la différence de pres- sion qui résulte de la rigidité du soufflet.
La figure 2 représente une variante du dispositif de la figure 1.
Comme précédemment, l'élément 2 qui renferme la cavité 1 remplie de lubrifiant est monté par des nervures 3 de l'enveloppe 4 du stator. Le roulement 11, qui supporte l'extrémité supérieure 7 de l'arbre 8 du rotor, est monté dans la cavité 1 et se visse sur l'élément 2 au moyen d'une bague filetée 17, qui porte un soufflet annulaire 18 dont l'intérieur communique par un canal 19 au moins avec l'extérieur de la cavité 1. L'étanchéité de la cavité 1 est assurée par une garniture annulaire 20 dont la surface d'étan- chéité est poussée par un ressort 21 contre un élément annulaire 22 monté sur l'arbre 8 du rotor. La garniture annulaire 20 est réunie à la bague file-
<Desc/Clms Page number 5>
té 17 par un soufflet 23.
Le soufflet 18 de cette forme de réalisation fonctionne de la mê- me manière que le soufflet 13 de la figure 1.
Un avantage du soufflet annulaire 18 par rapport au soufflet cy- lindrique 13 du dispositif de la figure 1 consiste dans le fait que le volu- me d'un seul soufflet annulaire est égal à celui d'un grand nombre de souf- flets cylindriques, tandis qu'en même temps on obtient avec le soufflet annu- laire un rapport plus élevé entre le volume du soufflet et l'encombrement de montage qu'avec les soufflets cylindriques.
La figure 3 représente un exemple de réalisation dans lequel un roulement 24 supportant l'extrémité inférieure de l'arbre 8 du rotor est contenu dans la cavité 1. L'arbre 8 est creux, et la boue,après avoir pas- sé dans l'aubage de la turbine qui se trouve dans l'espace annulaire subsis- tant entre l'enveloppe 4 du stator et l'arbre 8 du rotor, passe par des ou- vertures 25 et arrive à l'intérieur de l'arbre 8, puis arrive dans la tête de forage, non représentée, qui est fixée sur l'extrémité inférieure de l'arbre 8. La boue est ensuite refoulée par des orifices du trépan sur ses arêtes de coupe, de façon à le refroidir et à entraîner les déblais.
La perte de charge de part et d'autre des orifices du trépan est sensiblement égale à la différence de pression entre la boue à la sortie de la turbine et à l'extérieur dans le trou de sonde. Pour faciliter l'instal- lation et le montage et le démontage rapides du roulement 24 dans sa posi- tion entre l'arbre 8 du rotor et l'enveloppe 4 du stator, on dispose deux manchons concentriques 26 et 27 (voir la demande de brevet britannique n 22.664/54 déposée au nom de la même demanderesse le 3 août 1954) entre les- quels sont montés le roulement 24, un élément de garniture inférieur formé par un joint en caoutchouc 28 et un élément de garniture supérieur formé par une bague de garniture 29 coopérant avec une rondelle 30, un ressort 31 et un soufflet cylindrique à gradin 32.
Le soufflet à gradin 32 est partagé en deux portions de diamètres différents par une portion en forme de gradin disposée de façon que la dif- férence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du soufflet fasse varier la position de la portion en forme de gradin en faisant ainsi varier le volu- me de la cavité 1. Il en résulte que lorsqu'on fait descendre la turbine dans un trou de sonde, le soufflet 32 s'aplatit et vient par exemple dans la position 32' en provoquant ainsi une variation du volume de la cavité 1 qu'on peut déduire de la variation d de la position de la portion en forme de gradin du soufflet 32.
Deux rondelles 35, entre lesquelles subsiste un faible jeu aixal formant un canal de passage de section réduite, sont disposées sur les ex- trémités inférieures des manchons 26 et 27 qui sont fixés respectivement sur l'enveloppe 4 du stator et sur l'arbre 8 du rotor par des écrous de montage 33 et 34. D'autres canaux de passage 36 font communiquer l'espace situé jus- te au-dessus des rondelles 35 avec l'intérieur de l'arbre 8 du rotor, de sorte que le canal de section réduite fait communiquer en réalité l'intérieur de l'arbre 8 du rotor et l'extérieur de l'enveloppe 4 du stator. On a ainsi la certitude que la pression de la boue juste au-dessus de l'élément de gar- niture supérieur de la cavité 1 est sensiblement égale à la pression dans l'espace situé juste au-dessous de l'élément de garniture inférieur.
Les élé- ments sensibles à la pression de la cavité subissent donc sensiblement la même pression extérieure qui existe aussi à l'intérieur de la cavité 1, du fait de l'action exercée par le soufflet 32. La différence de pression entre la sortie de la turbine et le trou de sonde est localisée dans le canal de section réduite entre les rondelles 35. S'il n'en était pas ainsi, la pres- sion extérieure en un point quelconque de l'extérieur de la cavité 1 serait
<Desc/Clms Page number 6>
transmise à l'intérieur par l'action du soufflet 32 et il en résulterait qu'il existerait une différence de pression de part et d'autre d'un ou de plusieurs des dispositifs d'étanchéité, ce qui, ainsi qu'il a déjà été dit, doit être évité.
Alors que dans le dispositif de la figure 3 la cavité 1 de loge- ment du roulement est disposée dans la zone à haute pression à la sortie de la turbine, la figure 4 représente un dispositif dans lequel la cavité est disposée dans la zone à basse pression en dehors de l'enveloppe 4.
Le canal radial de section réduite formé par les éléments 35, fi- gure 3, est remplacé par des canaux de passage de section réduite 37 ou 37', figure 4, respectivement du type axial et conique et située au-dessus de la cavité 1. La boue qui passe par les canaux de section réduite 37 ou 37' pas- se par les orifices 38 dans la région à basse pression du trou de sonde en dehors de l'enveloppe 4 du stator. La partie inférieure de la cavité 1 de logement du roulement est aussi en contact avec la zone à basse pression par l'intermédiaire d'orifices 39 et une membrane 40 transmet la pression à l'in- térieur de la cavité la
La membrane 40 est du type plan ondulé et est montée sur un élé- ment 41 qui, en même tempsforme un canal de passage de section réduite 42, en combinaison avec l'extrémité inférieure du manchon 27.
Un canal de passa- ge de section réduite supérieur 43 est formé par les portions supérieures des manchons 27 et 26. La cavité 1 qui contient les roulement 44 et 45 avec les accessoires de montage nécessaires est rendue étanche par rapport à l'ex- térieur par ses canaux de passage de section réduite 42 et 43, qui empêchent la boue de pénétrer dans la cavité remplie de lubrifiant pourvu que la mem- brane 40 soit suffisamment flexible.
Une bague de pression 46 remplie de liquide est montée entre les roulements 44 et 45 pour les empêcher de se décentrer.
Le manchon 26 est fixé sur l'enveloppe 4 du stator par un fileta- ge 47 tandis que le manchon 27 est maintenu en place par la surface supérieu- re du trépan 48 lorsqu'il est vissé sur l'extrémité'inférieure de l'arbre 8 du rotor
La figure 5 représente une autre forme de construction du souf- flet à gradin 32 combiné avec la bague de garniture 29 de la figure 3. Le soufflet 49 disposé dans la cavité 1 comporte un gradin en sens inverse. Il est facile de voir que le soufflet 49 peut aussi pénétrer dans l'espace rem- pli de boue et que, dans ce cas, il se comprime pour faire diminuer le volu- me de la cavité 1.