L'invention est relative à un outil de forage de puits pétroliers, gaziers ou géothermiques, animé en rotation, soit depuis la surface par un système rotatif de tiges et de masses-tiges, soit par- un moteur de fond.

L'outil comporte deux organes principaux. Le premier est un arbre creux qui s'assemble par l'une de ses extrémités soit à la dernière tige du train, soit à l'arbre du moteur par lequel doit alors être amenée la boue de forage. Par souci d'unité de langage, nous appellerons "organe d'entraînement" dans les deux cas, la tige ou l'arbre du moteur auquel s'assemble l'arbre creux appartenant à l'outil. C'est aussi par cet organe d'entraînement que l'effort d'avance est transmis à l'outil. Le deuxième organe principal de l'outil est un corps tubulaire borgne, appelé ci-après "corps d'outil", dont l'extrémité fermée porte extérieurement les tranchants, et dont l'extrémité ouverte permet le passage de l'arbre creux.

Les organes principaux sont en liaison sphérique et cette liaison est matérialisée par une rotule; nous appelons "centre de la rotule" le centre commun aux deux surfaces sphériques qu'elle met en contact. L'existence de cette liaison sphérique impose de recourir à une deuxième liaison permettant la transmission du couple de forage de l'arbre creux au corps de l'outil en respectant les libertés relatives de ces deux organes, découlant de leur liaison sphérique.

Des outils articulés répondant à cette définition appartiennent à l'état de la technique (brevets GBA 2281577 et GBA 2190411) . Les outils décrits par ces brevets sont conçus en vue de leur utilisation en forage dévié; de ce fait, le corps d'outil est aussi court que possible, la rotule est située soit à mi-hauteur du corps d'outil (GBA 2281577) , soit au-dessus du corps d'outil (GBA 2190411), l'arbre creux est presqu'entièrement en dehors du corps d'outil et le système de transmission est intégré à la rotule, au détriment de l'étendue des surfaces sphériques en contact.

L'outil objet de la présente invention est préférentiellement destiné aux forages en ligne droite. Cet outil présente un corps relativement élancé, la rotule est située tout au fond de l'extrémité borgne du corps d'outil qui porte à son autre extrémité un stabilisateur, et le système de transmission, séparé de la rotule, est localisé du même côté de cette rotule que le stabilisateur. La distance entre le centre de la rotule et le stabilisateur, d'une manière précise entre ce centre et le plan perpendiculaire à l'axe de l'outil situé à mi-hauteur de ce stabilisateur, doit être au minimum de l'ordre de 2,5 fois le diamètre du corps d'outil, et d'autant plus grande que l'agressivité latérale des tranchants de l'outil est plus grande.

Les systèmes de transmission utilisés dans l'outil objet de l'invention se distinguent de ceux qui sont utilisés dans les outils articulés connus par le fait qu'ils sont extérieurs à la rotule dont on évite ainsi d'entamer les surfaces portantes, et par le fait qu'ils comportent, entre l'arbre creux et le corps de l'outil, un élément intermédiaire entourant l'arbre creux. Cet élément est mis en liaison avec chacun des organes principaux par des dentures particulières quand cet élément est rigide, ou par assemblage quand il est défor able (coque flexible) . Dans tous les cas, nous dirons qu'il s'agit d'une transmission "à configuration variable".

Toute comparaison entre le comportement de l'outil objet de l'invention et les outils articulés cités dans l'état de la technique est difficile, puisque leurs domaines d'utilisation préférentiels sont différents. Par rapport aux outils monolithiques connus, les avantages présentés par l'outil objet de l'invention se situent dans le comportement dynamique de celui-ci. Ce comportement est rendu largement indépendant des mouvements parasites de l'organe d'entraînement, sans que cette indépendance empêche l'outil de réagir de lui-même aux vibrations les plus gênantes excitées par le mouvement de coupe et sans que ses deux organes principaux puissent se mettre en configuration d'arc-boute ent. Ces avantages

résultent de la position relative de la rotule et du stabilisateur appartenant au corps d'outil.

Considérons deux cas de fonctionnement possibles de l'outil objet de l'invention. Dans le premier de ces cas, l'axe de l'arbre creux assemblé à l'organe d'entraînement est supposé maintenu par celui-ci dans l'axe du puits déjà foré et l'outil est supposé, par suite des conditions de coupe qu'il rencontre, tendre à amorcer un mouvement de précession. La position du centre de la rotule, auquel s'identifie le sommet du cône de précession, permet au corps d'outil de réagir spontanément à l'inclinaison qui en résulte pour l'effort de coupe: cet effort tend lui- même à ramener le corps d'outil en coaxialité avec l'arbre creux, avec une sensibilité d'autant plus grande que le centre de la rotule est situé plus loin des surfaces de contact de cette rotule, dans le sens du mouvement d'avance de l'outil. Dans ce cas, l'action du stabilisateur empêche que l'inclinaison relative de l'outil devienne suffisante pour provoquer un contact entre l'arbre creux et le corps d'outil à l'extrémité ouverte de celui-ci, avant que soit intervenue la réaction spontanée de l'outil.

Dans le deuxième cas considéré, une déformation de l'organe d'entraînement est supposée amener l'axe de l'arbre creux à s'incliner par rapport à l'axe du puits. L'axe de l'arbre creux décrit alors par rapport à l'axe du puits un cône dont le sommet coïncide avec le centre de la rotule. Le corps d'outil tend à suivre l'arbre creux dans ce mouvement mais le stabilisateur l'en empêche, d'une manière particulièrement efficace si le stabilisateur est en liaison rotoïde avec le corps d'outil: celui-ci continue donc à progresser dans l'axe du puits, indépendamment du mouvement perturbé que l'organe d'entraînement déformé impose à l'arbre creux.

La position de la rotule tout au fond du corps d'outil permet de reporter le centre de cette rotule le plus loin possible dans le sens du mouvement d'avance sans affaiblir de manière excessive le pouvoir de guidage latéral de la liaison sphérique. Mais cette liaison sphérique devient unilatérale et un contact alternatif doit donc être prévu entre les deux

organes principaux de l'outil pour permettre de descendre et de remonter l'outil sans risquer d'en perdre le corps.

En reportant ainsi le centre de la rotule aussi loin que possible dans la direction indiquée, on améliore encore le comportement dynamique de l'outil et on augmente, pour un élancement donné du corps d'outil, la distance entre le centre de la rotule et le stabilisateur.

Lorsque les surfaces en contact, dans la rotule et dans le système de transmission sont métalliques, une lubrification de ces surfaces est indispensable non seulement pour leur conservation, mais pour diminuer dans ces contacts les efforts de frottement, qui éloignent le comportement de l'outil de son comportement idéal. Il est donc prévu, en cas de nécessité, d'isoler entre le corps d'outil et l'arbre creux une chambre à lubrifiant contenant la rotule et le joint de transmission. Cette chambre est limitée par un double système déformable d'étanchéité autorisant les mouvements relatifs du corps d'outil et de l'arbre creux libérés par la rotule et permettant de maintenir le lubrifiant enfermé à une pression voisine de celle du flux de boue de forage remontant vers la surface.

La figure unique montre à titre d'exemple non-limitatif un outil de forage conforme à l'invention.

Dans la coupe partielle que présente cette figure, on peut voir les deux organes principaux constitutifs de l'outil: l'arbre creux 1 et le corps d'outil 2, de forme tubulaire borgne portant à son extrémité fermée les plaquettes tranchantes telles que 22. L'arbre creux 1 s'assemble par l'une de ses extrémités à l'organe d'entraînement, non représenté, par l'intermédiaire du filet conique 3. Par son autre extrémité, l'arbre creux 1 est mis en liaison sphérique avec le corps d'outil 2 par une rotule, localisée dans l'extrémité fermée du corps d'outil et constituée de l'élément 4 portant la surface mâle et solidaire du corps d'outil ainsi que de l'élément 5 portant la surface femelle et solidaire de l'arbre creux. Les surfaces de contact mâle et femelle, en conformité dans la rotule, sont centrées au point A que nous avons appelé centre de la rotule. L'arbre creux 1 et le corps d'outil 2 sont une seconde fois mis en liaison par le manchon

6 qui porte une denture intérieure droite 7 et une denture extérieure bombée 8. La denture intérieure droite 7 du manchon engrène avec la denture extérieure bombée 9, de même nombre de dents, usinée sur la pièce 10 solidaire de l'arbre creux et la denture extérieure bombée 8 du manchon engrène avec la denture intérieure droite 11, de même nombre de dents, solidaire du corps d'outil. Cette deuxième liaison entre l'arbre creux et le corps d'outil se présente donc sous la forme d'un accouplement déformable, le manchon 6 ayant un contact ponctuel supplémentaire par la surface 12 avec la partie 5 de la rotule, de manière à limiter vers l'avant la translation absolue du manchon.

La liaison sphérique réalisée par la rotule 4,5 étant ici unilatérale, c'est-à-dire apte à transmettre, de l'arbre creux au corps d'outil un effort dirigé dans le sens du mouvement d'avance seulement, un contact de substitution est prévu entre la surface 13 liée à l'arbre creux et la surface 14 liée au corps d'outil, lors de la descente ou de la remontée de l'outil, pour permettre, pendant ces opérations, la transmission d'un effort agissant de l'arbre creux au corps d'outil dans le sens opposé à celui que la rotule peut transmettre.

Deux systèmes d'étanchéité utilisant respectivement les membranes 15 et 16 isolent de la boue de forage, entre l'arbre creux et le corps d'outil, une chambre d'huile 17 contenant le lubrifiant indispensable à la rotule et à l'accouplement.

La membrane 15 (membrane avant) , dont la forme à l'état libre est celle d'un tube portant une bride à une de ses extrémités, est engagée par sa partie de forme tubulaire dans la surface intérieure de l'arbre creux et par sa partie en forme de bride dans le corps d'outil. Cette membrane, qui sépare le flux de boue descendant (à haute pression) du lubrifiant contenu dans la chambre d'huile, est en conformité avec des surfaces métalliques sur la plus grande partie de son étendue, et elle est libre sur une étendue de sa surface juste suffisante pour qu'elle présente la défor abilité nécessaire aux débattements relatifs de l'arbre creux par rapport au corps d'outil pendant le fonctionnement de l'outil, et pendant

sa descente ou sa remontée, pour permettre l'entrée en contact des surfaces 13 et 14.

La membrane 16 (membrane arrière) dont la forme à l'état libre est celle d'un tronc de cône, est attachée par le périmètre de sa petite base à la surface extérieure de l'arbre creux, et par le périmètre de sa grande base à la surface intérieure du corps d'outil, de manière que la petite base soit située du côté de la partie ouverte du corps d'outil. Des ouvertures latérales telles que 18 sont percées dans le corps de l'outil, à hauteur de la membrane 16, de manière à ramener à cet endroit le flux de boue remontante à l'intérieur du corps d'outil, et à créer ainsi, le long de la face arrière de la membrane, un effet de balayage empêchant toute sédimentation de corps durs à proximité de cette membrane. L'outil comporte un stabilisateur 19 au voisinage de l'extrémité ouverte du corps d'outil. Dans la réalisation illustrée ici, ce stabilisateur 19 est en liaison rotoïde avec le corps d'outil par l'intermédiaire des roulements 20 et 21, lubrifiés séparément, à la graisse, lors du montage et des entretiens.