FR2541364A1 - Drilling turbine with overspeeding-preventing bypass - Google Patents

Abstract

The invention relates to a drilling turbine actuated by a pressurised flow of drilling mud through a turbine 16, for driving the rotation of a drill bit 36. In order to make it possible to increase the flow rate of the drilling mud without causing overspeeding of the turbine, a bypass 50 is arranged axially in the shaft of the rotor 20 of the turbine in order to divert part of the inlet flow of the mud. A removable limiter 48 is mounted at the inlet of the bypass. Such a tool is used mainly in oil or gas drilling operations.

Description

TURBOKOREUSE AVEC BIPASSE DE PREVENTION DE SURVITESSE.
La présente invention concerne une turbo foreuse actionnée par un écoulement sous pression d'un liquide de forage à travers la turbine2 celle-ci comportant un arbre de rotor mis en rotation par le liquide de'forage pour entraîner la rotation d'un trépan.TURBOKOREUSE WITH OVER-SPEED PREVENTION BIPASS.
The present invention relates to a turbo drilling machine actuated by a flow under pressure of a drilling liquid through the turbine2 the latter comprising a rotor shaft rotated by the drilling liquid to drive the rotation of a drill bit.

Une turbo foreuse est un outil de forage rotatif actionné par une turbine et utilisé principalement dans les forages pétroliers et gaziers. Dans une telle machine, la turbine et le train d'arbres qui lui est associé sont renfermés dans un corps tubulaire simple dont une extrémité porte un trépan et qui est inséré dans le trou à forer. La turbine est actionnée par une boue -qui est envoyée à l'intérieur du corps par le haut au moyen d'une pompe à haute pression. La turbine comporte un stator solidaire du corps et un rotor monté sur un arbre de rotor. Le stator a pour fonction de diriger la boue contre le rotor pour le faire tourner, ainsi que l'arbre de rotor et le trépan qui lui est lié au moyen du train d'arbres.Après avoir actionné la turbine, la boue s'écoule dans des passages internes ménagés dans les arbres et émerge à proximité du trépan pour le refroidir et le lubrifier, ainsi que pour emporter les déblais du forage et empêcher l'éboulement des parois du trou.A turbo drill is a rotary drilling tool powered by a turbine and used primarily in oil and gas drilling. In such a machine, the turbine and the shaft train associated with it are enclosed in a simple tubular body, one end of which carries a drill bit and which is inserted into the hole to be drilled. The turbine is actuated by a mud -which is sent inside the body from above by means of a high pressure pump. The turbine comprises a stator secured to the body and a rotor mounted on a rotor shaft. The function of the stator is to direct the mud against the rotor to make it turn, as well as the rotor shaft and the drill bit which is linked to it by means of the train of shafts. After actuating the turbine, the mud flows in internal passages made in the trees and emerges near the drill bit to cool and lubricate it, as well as to carry the cuttings from the borehole and prevent the collapse of the walls of the hole.

Dans l'art antérieurXon admet que lorsqu'on augmente le débit de boue sous pression afin d'accélérer l'évacuation des déblais, ce débit accru de boue provoque une survitesse de la turbin, puisque la totalité du dé-- bit de boue est obligée de traverser la turbine. Cette survitesse de la turbine, ainsi que celle des arbres et du trépan qui lui sont liés, réduit considérablement la durée de vie du trépan, des roulements supportant les arbres, ainsi que d'autres pièces de la foreuse.In the prior art, Xon admits that when the flow of pressurized mud is increased in order to accelerate the removal of the cuttings, this increased flow of mud causes an overspeed of the turbine, since the entire flow of mud is forced to cross the turbine. This overspeed of the turbine, as well as that of the shafts and the bit linked to it, considerably reduces the life of the bit, the bearings supporting the shafts, and other parts of the drill.

Par conséquent, la présente invention a pour but de fournir une turboforeuse qui évite les inconvénients- mensitonnés ci-dessus, grâce à des moyens simples,fiables et faciles à monter, empêchant que la vitesse de rotation de la turbine de la turboforeuse ne dépasse une limite prédéterminée, malgré une augmentation du débit de la boue envoyée à-la turboforeuse, réduisant ainsi notablement le coût d'entretien de l'outil sans augmenter sensiblement son coût de fabrication. Consequently, the aim of the present invention is to provide a turbofor which avoids the above drawbacks, by simple, reliable and easy to assemble means, preventing the rotational speed of the turbine of the turbofor from exceeding a predetermined limit, despite an increase in the flow rate of the sludge sent to the turbofor, thus significantly reducing the cost of maintenance of the tool without significantly increasing its manufacturing cost.

Dans ce but, la présente invention concerne une turbo foreuse du type mentionné plus haut, caractérisée en ce qu'elle comporte un bipasse à travers l'arbre du rotor pour permettre au liquide de forage de contourner la turbine, et un limiteur amovible monté à l'entrée du bipasse pour restreindre le flux de liquide entrant dans ce bipasse.For this purpose, the present invention relates to a turbo drill of the type mentioned above, characterized in that it comprises a bypass through the shaft of the rotor to allow the drilling fluid to bypass the turbine, and a removable limiter mounted at the input of the bypass to restrict the flow of liquid entering this bypass.

La présente invention2 ses caractéristiques2 ses avantages seront mieux compris en référence à la description ci-dessous d'un exemple de réalisation préférée et aux dessins annexés dans lesquels
La figure 1 est une vue en coupe axiale, sectionnée en partie pour la commodité du dessin, d'une turboforeuse selon l'invention en position de travail, et ta figure 2 est une vue en coupe verticale agrandie montrant le limiteur monté dans le bipasse.The present invention2 its characteristics2 its advantages will be better understood with reference to the description below of a preferred embodiment and to the accompanying drawings in which
Figure 1 is an axial sectional view, partly sectioned for convenience of drawing, of a turbofor according to the invention in the working position, and Figure 2 is an enlarged vertical sectional view showing the limiter mounted in the bypass .

Comme la turboforeuse est très longue par rapport à son diamètre, certains tronçons en sont supprimés sur la figure 1. Néanmoins, comme il ressort de la description ci-dessous, la figure 1 comporte toutes les pièces de l'outil qui sont essentielles à une compréhension complète de l'invention.As the turbofor is very long compared to its diameter, certain sections are deleted from it in FIG. 1. Nevertheless, as appears from the description below, FIG. 1 comprises all the parts of the tool which are essential for a complete understanding of the invention.

La turboforeuse 10 représentée à titre d'exemple est en train de forer un trou ou un puits 12. Elle comporte un corps tubulaire 14. Bien que ce corps consiste en fait en plusieurs tronçons assemblés rigidement entre eux, on peut le considérer comme étant d'une pièce pour la description de l'invention. Le corps 14 renferme une turbine 16 qui est actionnée par un liquide de forage, le plus souvent une boue, qui est pompée vers l'intérieur du corps à travers un passage d'entrée 18. La constitution et le fonctionnement de la turbine elle-m8me sont largement connus. I1 suffit donc de relever que la turbine comporte un arbre de rotor 20 qui est monté concentriquement dans le corps 14,et qui tourne par rapport à ce corps grâce à l'énergie fournie par l'écoulement de la boue à travers la turbine ne. The turbofor 10 shown by way of example is drilling a hole or a well 12. It has a tubular body 14. Although this body consists in fact of several sections rigidly assembled together, it can be considered as being 'a part for the description of the invention. The body 14 contains a turbine 16 which is actuated by a drilling liquid, most often a mud, which is pumped towards the interior of the body through an inlet passage 18. The constitution and the functioning of the turbine itself even are widely known. It is therefore sufficient to note that the turbine comprises a rotor shaft 20 which is mounted concentrically in the body 14, and which rotates relative to this body thanks to the energy supplied by the flow of the mud through the turbine.

L'arbre de rotor 20 de la turbine est accouplé rigidement avec un arbre de transmission 22 par l'intermédiaire d'arbres de liaison 24 et 26.The rotor shaft 20 of the turbine is rigidly coupled with a transmission shaft 22 by means of connecting shafts 24 and 26.

L'arbre de transmission 22-est supporté de façon rotative par des paliers radiaux et de butée tels que ceux qui sont indiqués par 28 à proximité de son extrémité inférieure. L'arbre de transmission 22 s'étend vers le bas jusque hors du corps 14 et se termine par un élargissement 30. L'élargissement inférieur 30 de l'arbre de transmission comporte un siège 32sur lequel est engagé et solidement encastré un tronçon connecteur 34 d'un trépan 36. Ainsi, quand l'arbre de rotor 20 tourne, le trépan 36 tourne également pour forer dans le sol le trou 12.The transmission shaft 22 is rotatably supported by radial and thrust bearings such as those indicated by 28 near its lower end. The transmission shaft 22 extends downwards out of the body 14 and ends in a widening 30. The lower widening 30 of the transmission shaft comprises a seat 32on which is engaged and firmly embedded a connector section 34 of a drill bit 36. Thus, when the rotor shaft 20 rotates, the drill bit 36 also rotates to drill the hole 12 in the ground.

Après avoir actionné la turbine 16, la boue s'écoule à travers des passages obliques 38 de l'arbre de liaison 24, une cavité 40 de l'autre arbre de liaison 26, une cavité 42 de l'arbre de transmission 22 et un passage interne 44 du trépan 36, puis elle s'échappe dans l'espace tubulaire 46 situé entre l'outil 10 et les parois du trou 12. Le courant de boue de forage qui traverse ainsi constamment la turbo foreuse pendant son fonctionnement a pour effet de refroidir et de lubrifier le trépan 36, d'emporter les déblais vers le haut par l'espace tubulaire 46 vers la surface du sol et d'empêcher l'éboulement des parois du forage.After actuating the turbine 16, the mud flows through oblique passages 38 of the connecting shaft 24, a cavity 40 of the other connecting shaft 26, a cavity 42 of the transmission shaft 22 and a internal passage 44 of the drill bit 36, then it escapes in the tubular space 46 located between the tool 10 and the walls of the hole 12. The current of drilling mud which thus constantly crosses the turbo drill during its operation has the effect to cool and lubricate the drill bit 36, to carry the cuttings upwards through the tubular space 46 towards the ground surface and to prevent the collapse of the borehole walls.

Un limiteur de bipasse 48 constituant l'une des caractéristiques de la présente invention, est monté de façon amovible sur l'extrémitésupérieu- re de l'arbre de rotor 20 de la turbine 16. Le limiteur de bipasse 48 est situé à l'entrée d'un bipasse 50 qui traverse axialement l'axe de rotor 20 de la turbine. A son extrémité inférieure, le bipasse 50 communique avec un passage 52 traversant axialement l'arbre de liaison 24 puis avec la cavité 40 de l'autre arbre de liaison 26. On constate donc que la partie du flux de boue qui a traversé le bipasse de la turbine 16 se réunit avec le reste du flux, qui a traversé la turbine,puisque les deux courants de boue s'écoulent ensemble dans la cavité 40 de l'arbre de liaison 26.A bypass limiter 48 constituting one of the characteristics of the present invention is removably mounted on the upper ends of the rotor shaft 20 of the turbine 16. The bypass limiter 48 is located at the inlet a bypass 50 which axially crosses the rotor axis 20 of the turbine. At its lower end, the bypass 50 communicates with a passage 52 passing axially through the connecting shaft 24 and then with the cavity 40 of the other connecting shaft 26. It can therefore be seen that the part of the flow of mud which has passed through the bypass of the turbine 16 meets the rest of the flow, which has passed through the turbine, since the two mud streams flow together in the cavity 40 of the connecting shaft 26.

En référence à la figure 2, le limiteur de bipasse 48 est monté de façon amovible sur l'extrémité supérieure de i'arbre de rotor 20, avec un capuchon 54 qui est vissé sur l'extrémité supérieure filetée 56 de l'arbre de rotor 201 et il constitue une restriction de section par rapport au bi- passe 50 ménagé dans l'arbre de rotor 20. Au-dessus du limiteur 48, le capuchon 54 comporte un passage central 58 pour laisser passer la boue en direction du limiteur de bipasse 48. Le limiteur de bipasse 48-peut être un limiteur fixe permettant dans sa section réduite, le passage d'un certain flux de boue vers le bipasse50, ce qui limite ou réduit le flux de boue traversant la turbine 16. On peut faire varier le degré de restriction en remplaçant le limiteur 48 par un limiteur présentant un degré de restriction différent.Referring to Figure 2, the bypass limiter 48 is removably mounted on the upper end of the rotor shaft 20, with a cap 54 which is screwed onto the threaded upper end 56 of the rotor shaft 201 and it constitutes a section restriction with respect to the bypass 50 formed in the rotor shaft 20. Above the limiter 48, the cap 54 has a central passage 58 for letting the mud pass in the direction of the bypass limiter 48. The bypass limiter 48-can be a fixed limiter allowing, in its reduced section, the passage of a certain flow of mud towards the bypass50, which limits or reduces the flow of mud passing through the turbine 16. It is possible to vary the degree of restriction by replacing the limiter 48 with a limiter having a different degree of restriction.

Avec une réalisation de l'invention comme on l'a décrite ci-dessus, une survitesse de la turbine peut effectivement être évitée même si l'on accroit le débit d'arrivée de boue pour accélérer l'évacuation des déblais, puisqu'une partie du débit d'arrivée de boue se trouve dérivée à travers le bipasse 50. Grâce au limiteur monté sur le bipasse, le dispositif selon l'invention permet de maitriser la vitesse de rotation de la turbine et d'empêcher une usure prématurée du trépan, des paliers ou d'autres pièces annexes.With an embodiment of the invention as described above, an overspeed of the turbine can effectively be avoided even if the flow rate of mud is increased to accelerate the removal of the cuttings, since a part of the sludge inlet flow rate is diverted through the bypass 50. Thanks to the limiter mounted on the bypass, the device according to the invention makes it possible to control the speed of rotation of the turbine and to prevent premature wear of the drill bit , bearings or other annexed parts.

Bien que la présente invention ne soit décrite ici que sous une seule forme de réalisation et à titre d'exemple, elle peut faire l'objet de diverses modifications et variantes évidentes pour l'homme de l'art. Although the present invention is described here only in one embodiment and by way of example, it can be subject to various modifications and variants obvious to those skilled in the art.

Claims (1)

RevendicationClaim 1. Turboforeuse actionnée par un écoulement sous pression d'un liquide de forage à travers une turbine, celle-ci comportant un arbre de rotor mis en rotation par le liquide de forage pour entraîner la rotation d'un trépan, caractérisée en ce qu'elle comporte un bipasse (50) à travers l'arbre (20) du rotor pour permettre au liquide de forage de contourner la turbine (16), et un limiteur (48) amovible, monté à l'entrée du bipasse pour restreindre le flux de liquide entrant dans ce bipasse. 1. Turboforeuse actuated by a pressurized flow of a drilling liquid through a turbine, the latter comprising a rotor shaft rotated by the drilling liquid to drive the rotation of a drill bit, characterized in that it comprises a bypass (50) through the shaft (20) of the rotor to allow the drilling liquid to bypass the turbine (16), and a removable limiter (48), mounted at the inlet of the bypass to restrict the flow of liquid entering this bypass.