Brevet FR2029550A1 — publié le 19701023

■t 2029550 * L'usage de trépans rotatifs chargés pour le forage de formations extrêmement dures est connu dans l'industrie du pétrole depuis de nombreuses années. Dans ces trépans, les éléments rapportés font saillie à la surface des organes de coupe sur une 5 très petite distance. On pensait depuis longtemps que les éléments rapportés relativement fragiles se "briseraient s'ils faisaient une'saillie notable à la surface des organes de coupeo D'autre part, on dispose'les organes de coupe de ces trépans sur des axes qui coupent l'axe de rotation du trépan de - 10 sorte qu'il existe pratiquement des conditions de roulement véritable o Av«c une action de roulement véritable, le frottement des éléments rapportés, qui contribue à leur rupture, est pratiquement éliminée A l'occasion, on emploie les trépans chargés dans des 15 formations relativement tendres mais ces tentatives donnent une très faible vitesse de pénétration,» Il semble que la faible vitesse de pénétration soit due à la plasticité relative des formations tendres qui ne se désagrègent pas au choc comme les formations plus dures et plus friables» Il semble aussi que 20 l'absence de saillie des éléments rapportés, la proportion de matière non extraite qui reste au fond du puits et l'absence de frottement des trépans chargés contribuent à la moindre vitesse de pénétration de ceux-ci quand on les emploie dans les formations tendres. 25 II est connu aussi, dans l'industrie, d'utiliser des trépans comportant des organes de coupe munis de dents relativement grandes qui sont fraisées sur l'organe de coupe„ Dans ces trépans, les grandes dents et l'excentricité des organes de coupe assurent une action de coupe qui est plus efficace lors-30 qu'il s'agit d'enlever les formations relativement tendres, au moment où l'on fore le puits à travers-celles-ci» Avec ces trépans, il n'est pas possible de prévoir un fond non extrait, étant donné que les dents fraisées ou formées à même l'outil ont tendance à s'user et à se briser prématurément par suite de 35 l'érosion lorsque les flancs de dents agissent sur le fond non extrait. Il est connu que dans certains cas, en prévoyant un fond non extrait plus important, on augmente la vitesse de 70 02760 2 2029550 pénétration du trépan» la pénétration accrue est très désirable à condition que l'on puisse enlever le fond non extrait sans diminuer fortement la longévité du. trépan, par suite des dégâts causés.aux dents par érosion» 5 L'invention fournit un tréjpan rotatif servant à former un puits ou excavation similaire et qui comprend : un corps de trépan présentant un axe de rotation, une extrémité supérieure reliée à une colonne de forage servant à faire tourner le trépan et trois bras dirigés vers le bas, chacun des bras compre-10 nant un arbre incliné vers l'intérieur et vers le bas qui définit un axe de rotation d'organe de coupe, aucun des axes ne coupant un autre axe, un premier, un deuxième et un troisième organes de coupe de configuration généralement conique montés chacun sur l'un des arbres et présentant un nez et une base, 15 la base définissant le calibre ou diamètre du puits, et de multiples éléments rapportés espacés circonférentiellement, faisant saillie à l'extérieur et disposés en rangées annulaires dans chacun des organes de coupe de manière à agir sur le fond du puitso 20 L'un des buts de l'invention est de fournir un trépan rotatif perfectionné destiné aux formations tendres, qui soit plus efficace et qui ait une plus grande longévité que les trépans antérieurement connus pour formations tendres. Un autre but de l'invention est de fournir un trépan per-25 fectionné présentant des éléments rapportés extrêmement durs disposés dans les organes de coupe et destinés à servir dans les formations tendres» Un autre but de l'invention est de fournir un trépan rotatif présentant des éléments rapportés extrêmement durs qui 30 se dressent sur une distance considérable à la surface des organes de coupe et sont disposés en rangées annulaires assurant une quantité notable de fond non extrait de sorte que le trépan travaille plus efficacement.dans les formations tendres. Un autre but de l'invention est encore de fournir un 35 trépan rotatif perfectionné présentant des organes de coupe munis de rangées annulaires étendues d'éléments rapportés extrêmement durs, les organes de coupe ayant des axes qui ne coupent 70 02760 3 2029550 aucun autre axe d'organe de coupe ni l'axe de rotation du trépan de sorte que le trépan donne une quantité considérable de fond non extrait, une pénétration relativement profonde grâce sut dents prolongées et une action de frottement qui enlève effica-5 cernent la formation lorsqu,on fait tourner le trépan dans le puits. Les buts et avantages ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à l'étude de la description détaillée ci-après et des dessins annexés sur lesquels : 10 - la figure 1 montre, va par dessous, un trépan construit selon l'invention ;• - la figure 2 montre le trépan partiellement en élévation et partiellement en coupe prise essentiellement suivant la ligne 2-2 de la figure 1 } 15 - la figure 3 est une vue schématique illustrant la rela tion des axes des organes de coupe du trépan de la figure 1 ; - la figure 4- est une coupe agrandie d'un organe de coupe utilisé dans le trépan de la figure 1 j - la figure 5 est une coupe agrandie d'un autre organe 20 de coupe utilisé dans le trépan de la figure 1 ; -• la figure 6 est une coupe agrandie d'un autre organe de coupe utilisé dans le trépan de la figure 1 ; - la figure 7 est une vue superposée d'une portion des organes de coupe des figures 4, 5 et 6, montrant le profil in- 25 férieur d'une portion d'un fond de puits lorsqu'on fait tourner le trépan dans le puits# Sur les dessins et en particulier sur les figures 1 et 2, la référence générale 10 désigne un trépan construit selon l'invention» Comme on l'a représenté, le trépan 10 comprend un 30 corps 12 relié par son extrémité supérieure à l'extrémité inférieure d'une colonne de forage 14. Le corps de trépan 12 comprend une cavité 16 qui traverse l'extrémité supérieure du corps 12 et assure le passage des boues de forage ou matières similaires qui descendent à travers 35 la colonne de forage 14- jusqu'aux buses 18. Les buses resserrées 18 sont disposées de manière à diriger l'écoulement de la boue de forage pour agir sur le fond 20 du puits 22. * BAD OP'IINAL 70 02760 4 2029550 Du corps 12 partent, vers le tas, trois bras 24 pratiquement identiques• La portion terminale inférieure de chacun des bras 24 est munie d'un arbre usuel et de paliers 25 (voir figure 4)* Chaque bras 24 supporte, en lui permettant de tourner, un 5 organe de coupe généralement conique» Les organes de coupe sont désignés par les références 26, 28 et 30* Les organes de coupe 26, 28, 30 seront décrits plus complètement à propos des figures 4 à ?» Les arbres qui portent les organes de coupe 26, 28 et 30 10 définissent des axes respectifs de rotation 32, 34 et 36 autour desquels tournent les organes de coupe» On notera-sur la figure 2 que les axes de rotation sont inclinés vers le bas et vers l'intérieur sous un angle d'environ 36°. Comme on peut le voir sur la figure 1 et plus clairement sur'la figure 3» les axes 32, 15 34 et 36 ne se ' coupent pas mutuellement et ne coupent pas non plus l'axe de rotation 38 du trépan 10» Les trépans tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, vus par dessus, de sorte que les filetages qui constituent les divers raccordements de la colonne de forage 14 sont 20 constamment serrés par les forces exercées lorsque la colonne de forage 14 fait tourner le trépan 10 autour de l'axe 38® Etant donné que les figures 1 et 3 montrent le trépan 10 vu par dessous la rotation se fait ici en sens inverse des aiguilles d'une montre» Les axes 32, 34 et 36 des organes de coupe sont légèrement 25 excentrés vers la droite relativement à l'axe de rotation 38 du trépan, comme on le voit clairement sur la figure 3« L'excentricité des axes de rotation des organes de coupe assure une action de frottement lorsque les organes de coupe 26, 28 et 30 tournent autour de l'axe de rotation 38 du trépan en s'appliquant au fond 30 20 du puits 22. Comme le montrent les dessins, chacun des organes de coupe 26, 28 et 30 comprend un nez orienté vers l'axe de rotation 38 du trépan et une base disposée à l'intersection entre la paroi du puits 22 et le fond 20 de celui-ci» En fait, l'action de 35 coupe de la base définit le diamètre du puits 22» Chacun des organes de coupe 26, 28 et 30 comprend aussi deux rangées annulaires en quinconce d'éléments rapportés 40 BAD ORIGINAL 70 02760 5 2029550 et 42 qui sont placés près de la base de chaque organe de coupe0 Les éléments rapportés 40 et 42 taillent l'intersection entre la paroi du puits et le fond de celui-ci» Les rangées annulaires d'éléments rapportés 40 et 42 sont généralement appelées 5 "rangées de calibre",, L'organe de coupe 26 (voir figure 4) comprend un élément rapporté de nez 44 situé dans le nez de l'organe 26 et qui a pour rôle de tailler la formation près du centre du puits 220 Entre l'élément rapporté de nez 26 et les rangées de calibre 40 10 et 42, l'organe de coupe 26 comprend une rangée annulaire d'éléments rapportés 46 généralement appelée rangée intermédiaire. L'organe de coupe 26 comprend aussi une cavité 48 présentant la configuration voulue pour recevoir l'arbre et les paliers 25 qui supportent, en lui permettant de tourner, l'organe de coupe 26» 15 L'organe de coupe 28, représenté en coupe sur la figure 5, comprend plusieurs éléments rapportés de nez 50 qui facilitent l'enlèvement de la formation au voisinage de l'axe du puits 22. Entre les éléments rapportés de nez 50 et les éléments rapportés de calibre 40 et 42, l'organe de coupe 28 est muni d'une 20 rangée annulaire d'éléments rapportés intermédiaires 52. L'organe de coupe 28 comprend aussi un alésage 54 présentant la configuration voulue pour recevoir l'arbre et les paliers 25 (voir figure 4) de manière à supporter l'organe de coupe 28 en lui permettant de tourner sur l'un des bras 240 25 La coupe de la figure 6 indique la structure de l'organe de coupe 30. Comme on l'a représenté, l'organe de coupe 30 présente une première'rangée annulaire d'éléments rapportés intermédiaires 56 situés relativement près du nez et une deuxième rangée annulaire d'éléments rapportés intermédiaires 58 situés 30 entre les éléments rapportés 56 et les éléments rapportés 40 et 42 de la rangée de calibre» Comme les organes de coupe 26 et 28, l'organe de coupe 30 comprend un alésage ou évidement 60 présentant la configuration voulue pour recevoir l'arbre et les paliers 25 (voir figure 4) qui servent à monter l'organe de coupe 35 30 en lui permettant de tourner sur l'un des bras 24. La vue partielle de la figure 7 est une vue composite montrant la portion inférieure des organes de coupe 26, 28 et 70 02760 6 2029550 30 superposés pour illustrer la façon dont les rangées annulaires d'éléments rapportés prévues dans les organes de coupe agissent sur le fond 20 du puits» la figure 7 illustre aussi l'espacement radial des rangées annulaires d'éléments rapportés 5 permettant d*obtenir un "fond non extrait" lorsqu'on fait tourner le trépan 10 dans le puits 22 « Comme le montre clairement la figure 7» la rangée annulaire d'éléments rapportés intermédiaires 56 qui est portée par l'organe de coupe 30 est située à une certaine distance radiale 10 62 de l*axe de rotation 38 du trépan. De même, la rangée intermédiaire annulaire d'éléments rapportés 46, montée dans l'organe de coupe 26, est située à une distance radiale 64 de l'axe de rotation 38 et la rangée annulaire d'éléments rapportés intermédiaires 52 montée dans l'organe de coupe 28 est située à 15 une distance radiale 66 de l'axe de rotation 38 du trépan. Bien que les segments mesurant les distances radiales 62, 64 et 66 soient décalés sur la figure 7 pour montrer plus clairement leur longueur, ils sont de préférence mesurés depuis un point commun sur l'axe de rotation 38 du trépan. 20 On notera que la distance radiale 66 est supérieure à la distance radiale 64 et que la différence est supérieure à l'é-paisseur de tout élément rapporté intermédiaire. D'autre part, la distance radiale 64 est supérieure à la distance radiale 62 et la différence est supérieure à l'épaisseur de tout élément 25 rapporté intermédiaire. Il existe ainsi entre les éléments intermédiaires 46 et 56 un espacement 68 et il existe entre les éléments rapportés 46 et 52 un espacement 70 et les espacements 68 et 70 ne subissent l'action d'aucun des éléments rapportés du trépan 100 30 lorsque le trépan 10 tourne, les portions annulaires 72 et 74 du fond 20 du puits, indiquées sur la figure 2, correspondent aux espacements respectifs 68 et 70 et ne subissent l'action d'aucun des éléments rapportés agissant vers le bas. "Ainsi, il existe un certain pourcentage du fond 20 du puits qui 35 n'est pas extrait. De préférence, l'aire globale des organes de coupe qui n'est pas couverte par des rangées annulaires d'éléments rapportés, et donc l'aire du fond non taillé, est comprise 70 02760 7 2029550 entre 6 et 13% de 11 aire des organes de coupe ou du fond qui est située entre le nez et la base des organes de coupe® Les portions annulaires non extraites 72 et 74 sont brisées, lorsqu'elles atteignent une hauteur prédéterminée au-dessus du 5 fond du puits 22, par l'action de frottement des éléments rapportés qui leur sont adjacents® Comme on l'a mentionné précédemment, l'action de frottement est dû au décalage des axes 32, 34 et 36 des organes de coupe respectifs 26* 28 et 30 relativement à l'axe de rotation 38 du trépan*, 10 La matière utilisée pour former les éléments rapportés qui sont montés dans les organes de coupe 26, 28 et 30 est de préférence un carbure de tungstène ou une matière similaire extrêmement dure» On notera sur les différentes figures des dessins que les éléments rapportés se dressent à la surface des 15 organes de coupe sur une distance relativement grande en comparaison de la saillie des éléments rapportés à la surface des organes de coupe chargés antérieurement connus. Il est préférable que les éléments d'insertion, au moins les éléments 46, 52, 56 et 58, se dressent à la surface des organes de coupe corres-20 pondants sur une distance comprise entre 6, 4 et 14,3 mm» La distance de saillie des éléments rapportés est régie dans une large mesure par l'épaisseur ou le diamètre de l'élément rapporté et la grandeur du trépan dans lequel on utilise les éléments rapportés» Il est préférable aussi que les éléments rapportés 25 soient munis d'une portion terminale découverte en forme de coin comme le montrent les dessinso Toutefois, les éléments rapportés peuvent aussi être tronconiques ou arrondis» On utilise de préférence le trépan 10 dans le forage du puits 22 à travers des formations qui sont■généralement appelées, 30 dans l'industrie du forage, formations tendres relativement dures et formations moyennes relativement tendres, par exemple les schistes, le gypse, le sel, la chaux, la chaux schisteuse et d'autres formations de dureté similaire et de difficulté similaire de forage. 35 En service, le trépan 10 est relié à l'extrémité infé rieure de la colonne de forage 14 et on le descend dans le puits 22 jusqu'à ce que les organes de coupe 26, 28 et 30 agissent 70 02760 8 2029550 10 15 20 25 30 35 sur le fond 20» Lorsqu'on agit sur le fond 20 du puits 22, on fait tourner la colonne de forage 14 et en même temps le trépan 10» Lorsque le trépan 10 tourne autour de son axe de rotation 38, chacun des organes de coupe 26, 28 et 30 tourne autour de son axe de rotation respectif 32, 34 et 36. Pendant la rotation du trépan 10, les rangées annulaires d*éléments rapportés agissent sur la formation et par suite de la force exercée de haut en bas sur le trépan 10, les éléments rapportés sont enfoncés dans la formation, taillant ou fragmentant le fond 20. Etant donné que les organes de coupe ne sont pas à roulement véritable c'est-à-dire que leurs axes ne coupent pas l'axe de rotation 38 du trépan, les éléments rapportés glissent sur une courte distance le long du fond 20 du puits 22, L*action de glissement ou de frottement aide à désagréger les portions annulaires non extraites 72 et 74 du fond 20 comme on l'a indiqué plus haut» Au cours d'essais de rendement effectués dans des puits de pétrole réels, des trépans construits selon l'invention donnent constamment un résultat meilleur que les trépans à dents et les trépans chargés ordinaires pour formations dures qu'on utilise pour forer dea puits décalés à travers les mêmes formations. Le tableau ci-dessous compare les profondeurs et les vitesses de pénétration des types de trépan utilisés dans les essais. Essais comparés de rendement des "trépans Puits F° 1 type de trépan figure 1 nombre de trépans 1 profondeur totale, m 536 temps total de forage, heures 65 vitesse de pénétration, m/h 8,26 Puits N° 2 type de trépan figure 1 1er décalage à dents pour formations moyennes 8 516 70 7,38 1er décalage à dents pour formations dures 2ème décalage à dents pour formations moyennes 7 500 58 8,63 2ème décalage chargé 70 02760 9 2029550 nombre de trépans 16 1 profondeur totale, m 231 223 243 temps total de forage, heures 44 45 79 vitesse de pénétration, m/h 5,27 4,91 3,11 5 Puits N° 3 Décalage type de trépan figure 1 chargé nombre de trépans 1 2 profondeur totale,m 465 525 10 temps total de forage, heures 61 98 vitesse de pénétration, m/h 7,68 5,36 Dans les tableaux, on peut voir que pour le premier puits 15 d'essai, un trépan construit selon l'invention donne un meilleur résultat que huit trépans à dents dans le premier puits décalé et sept trépans à dents dans le deuxième puits décalé. Dans le deuxième puits, le trépan de la figure 1 donne un meilleur résultat que six trépans à dents pour formations dures dans le 20 premier puits décalés et donne une vitesse de pénétration considérablement supérieure au trépan chargé utilisé dans le deuxième puits décaléo Dans le troisième puits, le trépan de la figure 1 fore presque le même métrage que deux trépans chargéâ à une vitesse de pénétration presque double de celle qu'atteignent les 25 trépans utilisés dans le puits décalé» Par ce qui précède, on voit qu'un trépan construit selon l'invention est plus efficace que tout trépan antérieurement connu lorsqu'il s'agit de pénétrer les formations particulières auxquelles le trépan est destiné0 En fait, les essais montrent 30 clairement qu'un seul trépan construit .selon l'invention donne xm meilleur résultat que plusieurs trépans de structure antérieurement connue lorsqu'il s'agit de pénétrer des métrages comparables dans des formations comparables. 70 02760 10 2029550 KEirBffllCAEtOHS 1) Trépan rotatif servant à forer un puits ou excavation similaire et caractérisé par le fait qu'il comprend un corps de trépan présentant un axe de rotation, une extrémité supérieure 5 reliée à une colonne de forage servant à faire tourner le trépan et trois bras dirigés vers le bas, chacun des bras comprenant un arbre incliné vers l'intérieur et vers le Tbas qui définit un axe de rotation d'organe de coupe, aucun des axes ne coupant un autre axe, un premier, un deuxième et un troisième or-10 ganes de coupe de configuration généralement conique montés chacun sur l'un des arbres et présentant un nez et une base, la base étant généralement orientée vers la paroi du puits, et de multiples éléments rapportés espacés circonférentiellement, faisant saillie à l'extérieur et disposés en rangées annulaires 15 dans chacun des organes de coupe de manière à agir sur le fond du puitso 2) Trépan selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments rapportés d'au moins une rangée annulaire de chaque organe de coupe font saillie au minimum de 6,35 mm à 20 la surface de l'organe de coupe, respectif• 3) Trépan selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les éléments rapportés faisant saillie d'au moins 6,35 présentent une portion terminale découverte en forme de coin. 25 4) Trépan selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments rapportés d'au moins une rangée annulaire de chaque organe de coupe font saillie de 6,35-/l4-,29 mm à la surface de l'organe de coupe respectif. 5) Trépan selon la revendication 1, caractérisé par le 30 fait qu'au moins une des rangées annulaires d'éléments rapportés est montée dans chaque organe de coupe entre le nez et la base et définit dans chaque organe de coupe une rangée intermédiaire, les rangées intermédiaires étant situées sur les organes de coupe à line distance radiale différente à l'axe de 35 rotation du trépan, la différence étant supérieure à l'épaisseur de l'un des éléments rapportés de rangée intermédiaire, cette distance radiale étant mesurée perpendiculairement à l'axe de 70 02760 n 2029550 rotation de chacune des rangées intermédiaires et en partant d'un même point de cet axe. 6) Trépan selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l'aire nette comprise entre les rangées intermédiaires 5 sur les organes de coupe est comprise entre 6 et "13% de l'aire totale comprise entre le nez et la "base de tous les organes de coupe. 7) Trépan selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les éléments rapportés des rangées intermédiaires font 10 saillie d'au moins 6,35 mm à la surface des organes de coupe0 8) Trépan selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la portion terminale en saillie de chacun des éléments rapportés de rangée intermédiaire est en forme de coin. 9) Trépan selon la revendication 1, caractérisé par le 15 fait que les rangées annulaires d'éléments rapportés du premier organe de coupe comprennent une rangée intermédiaire disposée entre un élément rapporté de nez et une rangée d'éléments rapportés de calibre situés auprès de la "base, que les rangées annulaires d'éléments rapportés du deuxième organe de coupe com-20 prennent une rangée intermédiaire disposée entre une.rangée d'éléments rapportés de nez et une rangée d'éléments rapportés de calibre, la rangée intermédiaire du deuxième organe de coupe étant plus espacée de l'axe de rotation du trépan que la rangée intermédiaire du premier organe de coupe, cette différence 25 d'espacement étant au moins égale à épaisseur de l'un des éléments rapportée de rangée intermédiaire, et que les rangées annulaires d'éléments rapportés du troisième organe de coupe comprennent une première et une deuxième rangées intermédiaires disposées entre le nez de l'organe de coupe et une rangée d'élé-30 ments rapportés de calibre, l'une des rangées intermédiaires du troisième organe de coupe étant moins espaeée de l'axe de rotation du trépan que la rangée intermédiaire du premier organe de coupe, cette différence d'espacement étant au moins égale à l'épaisseur de l'un des éléments rapportés de rangée intermédiai-35 re, de sorte qu'une ou plusieurs portions annulaires du fond du puits ne sont pas soumise à l'action exercée vers le bas par les éléments rapportés. 70 02760 2029550 10) Trépan selon la revendication 9» caractérisé par le fait que les éléments rapportés de rangée intermédiaire font saillie de 6,35-14,29 mm à la surface des organes de coupe et qu'au moins une partie des éléments rapportés de rangée inter- 5 médiaire présentent une portion terminale découverte en forme de coinQ 11) Trépan, selon, la revendication 9, caractérisé par le fait que l'aire nette comprise entre les rangées intermédiaires sur l'organe de coupe est comprise entre 6 et 13% de l'aire to- 10 taie comprise entre le nez et la "base de tous les organes de coupe. j