Brevet FR2051654A1 — publié le 19710409

i 2051654 Cette invention se rapporte à la technique du forage et concerne plus particulièrement un trépan pour le forage au jet hydraulique dans lequel la pénétration de la matière en cours de forage s'effectue au màyen de courants animés d'une grande vitesse d'un 5 liquide chargé d'une matière abrasiveo Dans le procédé de forage rotatif classique pour le forage des puits ou excavations analogues, un trépan monté sur l'extrémité inférieure d'une tige porte-trépan est entraîné en rotation contre le fond du trou foré tandis qu'un liquide, le plus souvent 10 "une houe de forage, eircule de haut en bas dans le puits d'un côté de la tige du trépan et en remontant dans le puits de lrautre côté du puits pour éliminer les débris détachés de la paroi du puits* Ordinairement, la houe de forage circule dans le sens descendant à travers la tige du trépan, s'échappe à l'extérieur 15 par des tuyères de la mèche du trépan et remonte à travers l'annulaire entre la tige du trépan et la paroi du puitso la mèche du trépan dissocie mécaniquement les particules de roche à partir du fond du puits» 0e procédé-de forage rotatif est très satisfaisant pour le 20 forage dans des formations de sol tendre ou de dureté moyenne mais n* est pas aussi satisfaisant pour le forage dans des formations de sol dur# Outre qu'elles provoquent une vitesse de perforation plus faible, les formations de sol dur sont, en effet, la cause d'une usure rapide dea mèches des trépans et obligent à des démon— 25 tages fréquents en vue de remplacer la mèche© le temps perdu pour le forage pendant ces changements augmente la durée de séjour de l'équipement de forage sur le chantier de forage du puits et augmente par là même le coût du forage« Une méthode qui s'est développée au cours des dernières années 30 ai vue du forage de formations de sol dur est le procédé de forage au jet hydraulique. Dans ce procédé, le fond du trou foré est soumis à mie érosion de la part de plusieurs courants d'un liquide chargé de matière abrasive et qui s'écoule à une vitesse extrêmement élevée à partir de tuyères prévues dans un trépan et reliées à 35 la base de la tige du trépan en rotation. Suivant une méthode de forage au jet hydraulique qu'il convient d'adopter de préférence, les courants du liquide chargé de matière abrasive taillent un trou central ët plusieurs rainures concentriques au fond du trou foré et le trépan attaque les crêtes qui séparent les rainures 40 pour dissocier de grosses particules de rochers par rapport à ces BAD ononi^ jl 70 25425 2 2051654 crêtes et augmenter par là même la vitesse de forage. Bien que cette méthode de forage au jet hydraulique présente des avantages incontestables par rapport à la technique classique du forage rotatif en raison des augmentations de la vitesse de pénétration 5 et de la réduction de l'usure du trépan, d'autres augmentations de la vitesse de forage sont désirables pour réduire les frais du forage. Dh problème qui se pose dans le forage au jet hydraulique est l'érosion du trépan par les particules de matière abrasive, X0 qui rebondissent à partir du fond du. puits foré et qui heurtent la partie inférieure du trépan» Cette érosion de la partie inférieure du trépan peut être réduite en recouvrant les parties de la partie inférieure du trépan, qui sont exposées aux particules de matière abrasive qui rebondissent comme il vient d'être dit, 15 d'une matière dure résistant bien à l'abrasion tellê qu'un alliage de carbure de tungstène, l'érosion de la partie inférieure du trépan est réduite, en outre, en maintenant une ditance dite "d*écartement" minimum entre le fond du puits en cours de forage et les sorties des tuyères par lesquelles le liquide de forage 20 s'échappe. Des éléments d'écartement s'étendant vers le bas depuis la partie inférieure du trépan portent contre le fond du puits foré et supportent le trépan à la distance désirée au-dessus du fond de ce puitso l'invention est matérialisée dans un trépan pour le 25 forage par jet hydraulique de puits ou excavations analogues à travers des formations dures de la couche du sous-sol remarquable en ce que les éléments d'écartement s'étendant vers le bas à partir de la surface inférieure du trépan pour maintenir une certaine distance depuis le fond du puits jusqu'aux sorties des tuyères 30 sont montés à rotation dans le trépan» Ces éléments d'écartement montés à rotation comportent une surface lisse qui roule le long de la surface supérieure des crêtes pour leur appliquer une charge sans mordre dedans. Suivant une réalisation de l'invenion à préférer, les éléments d'écartement sont placés et conformés de 35 manière à pénétrer dans les rainures taillées au fond du trou foré par des courants animés d'une grande vitesse d'un liquidé de forage qui s'échappe à travers les ajutages ou tuyères du trépan et balaye les crêtes séparant les rainures, de sorte que les élément; d'écartement exercent une force latérale sur les crêtes» 40 Dans les dessins schématiques annexés:— BAD ORIGINAL 70 25425 3 2051654 lia figo 1 est une vue en plan du dessous d'un trépan de forage établi conformément à l'invention» La figo 2 est une vue en coupe longitudinale par la ligne "brisée II-II en fig. 1© 5 la fig. 3 est une vue ei coupe verticale d'une réalisation d'un élément d'écartement fuselé et monté à rotation» la fig. 4 est une vue partiellement en coupe verticale par la ligne IY—IV en fig. 3 de la réalisation de l'élément d'écartement que montre cette figure» 10 la fig. 5 est une vue du fond d'un trépan comportant des canaux d'évacuation dans sa surface inférieure et muni d'éléments d'écartement montés à rotation» la fig. 6 est une vue en coupe verticale partielle par la ligne 7I-VI en fig. 5 » le trépan occupant une position inversée*» 15 Comme représenté dans la, fig» 2, le trépan désigné générale ment par la référence 10 comporte un corps 12 à partir duquel une tige filetée 14 s'étend vers le haut en vue de sa liaison avec l'extrémité inférieure 16 d'une tige porte-trépan. Un canal central 18 s'étend longitudinalement à travers la tige 14 et 20 communique avec une gorge 20 du corps 12 du trépan. Cette gorge 20 débouche dans une ouverture centrale plus grande 22 du corps du trépan» Comme le montre la fig» 1, ce corps du trépan a une sectiôn droite horizontale en forme de triangle équilaifral formé par trois faces planes 24 réunissant les parties courbes 25 26 de la périphérie du trépan» l'invention n'est d'ailleurs pas limitée à line, forme particulière en section droite horizontale mais les recherches qui ont conduit à elle ont permis de constater que des trépans utilisant l'invention fonctionnent de façon plus régulière s?ils 30 ont une section droite généralement symétrique, les surfaces planes se traduisent par une forme non ronde qui ménage l'espace entre le trépan et la paroi du puits ou trou en cours de forage en vue de l'élimination des débris détachés de sa paroi» Comme le montre la fig» 2 des dessins, l'extrémité inférieu-35 re dé l'ouverturë centrale 22 est fermée par le fondcki corps 12 du trépan. Pour réduire llérosion du corps du trépan pendant l'opération de forage, la surface inÉrieure 28 du corps 12 est recouverte par une plaque pare-éclaboussures 30 constituée par une HEfcière résistant à l'abrasion telle que du carbure de tungstène 40 fixé en plaee par .brasage ou soudage à l'argent. Plusieurs BAD OBiGlMAL 70 25425 205165k tuyères ou ajustages 32 spécifiquement identifiés dans les dessins par la référence 32 et par une lettre qui dépend de 1*emplacement de la tuyère intéressée s,1 étendent à travers le fond du corps 12 du trépan et de la plaque pare-éclaboussures 30 pour 1* écoulement 5 du liquide de forage chargé d'une matière abrasive de la manière décrite ci-après. Les sorties des tuyères 32 se trouvent dans le plan de la surface inférieure de la plaque pare-éclaboussures 30. Les tuyères 32 sont établies, de préférence, en une matière rééis-tant bien à l'abrasion telle qu'un alliage de carbure de tungstène 10 et ont une sortie mesurant 4>76 mm pour 2,^38 mm de diamètre» Il est désirable que les tuyères 32 soient placées et orientées de manière à tailler un trou central et plusieurs rainures concentriques au fond du puits» La rainure placée le plus vers 1* extérieur a un diamètre externe supérieur au diamètre du eorps 15 12 du trépan pour permettre la descente de celui-ci au fur et à mesure que le forage progresse. Les crêtes du fond du puits en cours de forage qui séparent les.rainures doivent être relativement étroites et avoir une largeur inférieure à 12,7 ma environ pour leur permettre d'être brisées par une légère charge appliquée 20 au trépan» Dans le trépan représenté par la fig» 1, les tttyères 32a placées le plus vers l'intérieur présentent.une pente assez accentuée vers l'intérieur pour l'écoulement d'un courant constitué par un jet animé d'une vitesse élevée capable de tailler un trou central s'étendant au-dessous du centre du trépan» 25 La série suivante des ajutages ou tuyères 32b placés plus loin que les tuyères ou ajutages 32a par rapport au centre du trépan présentent une pente vers l'intérieur moins accentuée que ces tuyères 32a et taillent une rainure séparée du trou central par une crête-intermédiaire de la matière en cours de forage»ïïne troisième série de tuyères 32e présentant une certaine pente. vers l'intérieur est espaeée d'une distance supérieure par rapport au centre de rotation de la tuyère que les tuyères 32b et taillent une rainure séparée de la rainure taillée par le liquide de forage qui s'écoule à partir des tuyères 32b. Les deux séries suivantes 35 de tuyères 32d et 32a présentent une certaine pente vers l'extérieur et taillent deB rainures séparées*» Une série finale de tuyères 32* présentent une pente accentuée vers l'extéri^aorpour l'écoulement d'un courant animé d'une grande vitesse de liquide de forage au jet qui heurte le fond du trou ou puits vers l'extérieur au delà de la périphérie du corps du trépan pour former un puits BAD ORIGINAL 40 70 25425 5 2051654 ayant les dimensions supérieures au diamètre du trépan. A la partie inférieure du trépan sont montés à rotation des éléments d'écartement sphériques désignés généralement par le chiffre 34» l'élément d'écartement 34a est placé légèrement 5 plus près du centre du trépan que la sortie des tuyères 32b présentant une pente vers l'intérieur pour chevaucher les crêtes limitant la rainure taillée par le liquide de forage qui s'écoule par ces tuyères» De même, l'élément d'écartement 34b est placé directement au-dessus de la rainure taillée par le liquide de 10 forage qui s'écoule par les tuyères 32c, l'élément d'écartement 34c se trouve directement au-dessus de la rainure taillée par le liquide de forage qui s'écoule par les tuyères 32d, et l'élément d'écartement 34d se trouve directement au-dessus de la rainure taillée par le liquide de forage qui s'écoule par les tuyères 15 32e. les éléments d'écartement 34 sont constitués par une matière résistant bien à l'akrasion telle qu'un alliage de' carbure de tungstène et ont un diamètre tel qu'ils s'étendent de 6,35 mm à 31,8 mm au-dessous de la surface inférieure de la plaque pare-éelaboussures 30. 20 Comme représenté dans la fig. 2, suivant laquelle l'élé ment dtëeartement 34c est représenté en.coupe verticale, une douille 36 montée dans l'extrémité inférieure du. corps 12 du trépan reçoit une pièce insérée 38. Une plaque 37 placée dans l'extrémité supérieure de cette douille 36 est séparée d'un siège 42 en carbure 25 de tungstène de l'élément d'écartement par un anneau compressible 40. le siège 42 de l'élément d'écartement est garni d'une bille ayant la même grosseur nominale que l'élément de charge sphérique pour produire une surface qui supporte cet élément de charge dans les conditions lui permettant de tourner librement. Cet élément 30 de charge sphérique est maintenu en place par un anneau de retenue 44 recouvert par une plaque de parement 46 en carbure de tungstène, l'ensemble représenté dans la fig. 2 est maintenu en place dans le corps 12 du trépan par un goujon 50 traversant la paroi de celui-ci et la pièce insérée 38 pour pénétrer dans le 35 siège 42. la plaque de parement 46 et l'anneau de retenue 44 peuvent être maintenus en place par n'importe quel moyen convenable tel que des vis comme représenté dans la fig® 1 en ce qui concerne certains des éléments d'écartement ou par un ciment convenable tel qu'un ciment époxy* 40 Dans le fonctionnement du trépan tel que le prévoit 70 .2 54*2 5 6 2051654 l'invention, la tige de ce trépan et sa mèche sont entraînées en rotation et un liquide de forage (par exemple un liquide aqueux) contenant des fibres de papier et de l'argile pour faciliter la mise en suspension des particules abrasives) est refoulé par 5 pompage dans la tige 16 du trépan jusque dans le canal 18 de la tige 14 de celui-ci. Les particules de matière abrasive à préférer sont des particules d'une grenaille forcée de fonte ou d'acier ayant line grosseur leur permettant de traverser les orifices mesurant de 2 à 0,18 mm d'un tamis, ^e liquide de forage se trou-10 ve à une pression élevée dépassant environ 280 kg par csa2 dans l'ouverture centrale 22, de telle sorte que le liquide de forage s'écoule par les tuyères à une vitesse dépassant environ 198 m/s. Les particules détachées par érosion du fond du trou ou puits par les courants animés d'une grande vitesse du liquide de forage 15 s'écoulant par les tuyères 32 et les débris plus gros détachés à partir des crêtes par les éléments d'écartement et entraîné s par le liquide s'écoulant à travers les tuyères pour remonter à travers l'annulaire entre Ha paroi du puits et la tige du trépan vers le sommet du puits. Les faces planes 24 se traduisent par 20 de grands orifices entre la paroi du puits et le trépan à travers lesquels les débris passent facilement* Comme indiqué dans ce qui précède, le courant animé d'une grande vitesse du liquide de forage taille un trou central entouré de rainures concentriques aa fond du puits en cours de forage.Les 25 éléments d'écartement roulent sur les cistes séparant les rainures et appliquent une charge de compression qui dissocie les crêtes» En raison de la forme sphérique des éléments d'écartement. préférés, la force qu'ils appliquent aux crêtes par suite du poids pesant sur le trépan a une composante latérale qui place une par-30 tie du rocher dans les crêtes sous tension et facilite, àinsi la dissociation des crêtes. Un avantage important des éléments d'écartement rotatifs est la réduction du refroidissement et du chauffage alternés qui se produit dans les éléments d'écartenent du fait des variations périodiques de friction entre ces éléments d'écarte-35 ment et le rocher. Le trépan tel que le prévoit l'invention s'est avéré au cours des expériences dont il a été parlé comme capable de réduire le couple nécessaire pour entraîner en rotation la tige du trépan et la mèche de celui-ci quand un poids est appliqué au trépan. Les éléments d'écartement rotatif assurent également un 40 fractionnement plus régulier du trépan et par voie de conséquence BAD ORIG'NAL 70 25425 7 2051654 une réduction des contraintes gui sont appliquées au. trépan et à la colonne de forage. les éléments d'écartement rotatifs représentés dans les fig. 3 et 4 comportent des surfaces fuselées qui permettent à 5 l'élément d'écartement de pénétrer plus avant dans les rainures entaillées par le liquide de forage qui s'écoule par les tuyères 32 et d'appliquer une force latérale plus grande aux crêtes séparant les rainures. Comme le montre la fig. 3» une douille 60 est forée dans l'extrémité inférieure du corps 12 du trépan pour 10 recevoir une pièce insérée 62 capable de recevoir un élément fuselé 64 qui tourne, tua siège 66 et un anneau flexible 68 comprimé entre ce siège 66 et une plaque de base 70. L'extrémité inférieure de la pièce insérée 62 est fixée à un anneau de retenue 72 que traverse l'élément de charge rotatif 64. L'ensemble représenté 15 dans les fig. 3 et 4 peut être maintenu-en place dans la douille 60 par n'importe quel moyen convenable tel que le goujon représenté dans la fig. 2 ou. un ciment époxy. Le fonctionnement de 1* élément de charge représenté dans les fig» 3 et 4 est identique à celui que montre la fig* 2» 20 Les éléments de charge rotatifs tels que les prévoit l'in vention peuvent être employés avantageusement dans les mèches ou trépans de forage par voie hydraulique comportant des canaux d'écoulement par lesquels les débris provenant du fond du puits peuvent passer aisément en vue de leur circulation vers le haut 25 du puits avec un alstaum de rebroyage. Gomme le montre la fig. 5 des dessins, la base du corps du trépan est représentée comme comportant des canaux évidés 80 entre des plateaux 82. Ces derniers sont établis, de préférence, de manière à comporter une plaque de parement 84 résistant bien à l'abrasion fixée à des saillies 30 86 s*étendant depuis la base du corps du trépan. Les sorties des tuyères ou ajutages 88 se trouvent dans le plan de la surface inférieure 90 de la plaque de parement 84. Les éléments de charge rotatifs 92 sont maintenus en place sur des sièges 94 par des anneaux de retenue 96. Les sièges 94 et les anneaux de retenue 96 sont 35 emboîtés dans des pièces insérées 98 qui sont emboîtées à leur tour dans une douille 100 de l'extrémité inférieure du corps du trépan» Comme dans la réalisation de l'invention qui est représentée dans les fig» 1 et 2, les éléments de charge 92 sont placés de 40 manière à se trouver directement au-dessus des rainures entaillées BAD ORIGINAL^ 70 25425 8 2051654 dans le fond du puits par les courants animés d'une grande vitesse du liquide de forage s•écoulant par les tuyères 88. Dans la réalisation de l'invention que montrent les fig • 5 et 6, les anneaux de retenue 96 et les pièces insérées 98 sont fixés dans 5 des douilles 100 par -on ciment convenable tel qu'un ciment époxy. les détails de réalisation peuveni(être modifiés, sans s'écarter de l'invention, dans le domatie des équivalences techniques e 70 25425 9 2051654 REVENDICATIONS 1» Trépan pour le forage par jet hydraulique de puits ou excavations analogues , ce trépan comportant un corps creux obturé à son extrémité inférieure par un organe de fond et des tuyères 5 ou ajutages s*étendant à travers cet organe inférieur et se terminant dans sa surface inférieure et caractérisé par des éléments d'écartement montés à rotation dans l'élément de fond du trépan et s'étendant sur une distance allant de 6,4 à 31,8 mm au-dessous de cette surface de fond» 10 2» Trépan de forage. suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'écartement sont sphériques et partiellement évidés dans l'organe de fond du trépane 3* Trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'écartement ont sensiblement la forme 15 de losanges en coupe suivant un plan contenant l'axe de rotation et une forme circulaire suivant une coupe perpendiculaire à l'axe de rotation# 4* Trépan de. for âge pour le forage au jet hydraulique de formations de sol dur à l-'aide de courants animés d'une grande vitesse 20 d'un liquide de forage ehargé d'une matière abrasive suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ee que les tuyères s'étendant à travers l'extrémité inférieure du trépan sont placée de telle sorte que des courants ou jets de liquide animés d'une grande vitesse s'écoulant à travers ces tuyères en-25 taillent dans le fond du puits un trou central et plusieurs rainures concentriques séparées par des crêtes, les éléments d'écartement étant placés de manière à pénétrer dans ces rainures entai!lées dans le fond du puits et à chevaucher les crêtes s'étendant entre ces rainures, ces éléments d'écartement étant évidés dans l'extré— 30 mité inférieure du corps du trépan, les sorties des tuyères étant situées dans le plan de la surface inférieure de l'extrémité inférieure du corps du trépan» 5» Trépan pour le forage au jet hydraulique de formations de sol dur à l'aide de courants animés d'une grande vitesse d'un 35 liquide de forage chargé de matière abrasive suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en cé que les tuyères s'étendent à travers le corps du trépan et se terminent dans le plan de la surface inférieure de son extrémité inférieure pour assurer l'écoulement de courant de liquide à grande vitesse de 40 distance en distance sur le fond du puits en vue d'y pratiquer 25425 10 2051654 des rainures, des douilles étant prévues dans l'extrémité inférieure du corps du trépan, des sièges d'éléments d'écartement étant prévus dans les douilles, ces éléments d'écartement se trouvant partiellement à l'intérieur des douilles et engageant les sièges, ces sièges étant conformés pour épouser les éléments d'écartement, un organe de retenue étant prévu dans l'extrémité inférieure de la douille engageant l'élément d'écartement èt le maintenant en place sur le siège, des moyens étant prévus pour fixer les organes de retenue contre l'organe inférieur formant la base du trépano 6. Trépan de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en œ que plusieurs plateaux sensiblement plats à leur extrémité inférieure s'étendent de haut en bas sur l'extrémité inférieure de l'organe de base, des canaux d'écoulement évidés séparant les plateaux et s'étendant vers l'extérieur jusqu'à la périphérie du corps du trépan, les tuyères qui fournissent le liquide de forage s'étendant à travers les plateaux, leurs orifices de sortie étant situés sensiblement dans le plan des plateaux, les éléments d'écartement s'étendant vers le bas à partir des plateauxo 7* Trépan de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que trois plateaux ayant sensiblement la forme de seeteurs s'étendent vers le bas depuis l'extrémité inférieure.du trépan, des canaux d'écoulement évidés s'amorçant près du centre de l'extrémité inférieure du trépan et s'étendant en principe radialement vers son périmètre pour séparer les plateaux, une plaque pare-éclaboussures constituée par un matériau résistant à l'abrasion étant fixée à l'extrémité Inférieure de chacun des plateaux, les tuyères s'étendant vers le bas à travers l'extrémité inférieure du trépan, les plateaux et les plaques pare-éclaboussures et se terminant dans le plan de la surface inférieure de ces plaques , des douilles s'étendant à travers chacune de ces plaques et pénétrant dans chaque plateau pour recevoir les éléments d'écartement montés à rotation dans chaque douille et placés de manière à maintenir l'élément d'écartement à une faible distance du centre de rotation du trépan, deux éléments d'éceprfcement à une seconde distance radiale plus grande depuis le centre de rotation du trépan, et trois éléments d'écartement selon une troisième distance radiale plus BAD ORIG'NAL. 70 25425 ii 2051654 grande du centre de rotation du trépan, un organe de retenue dans chacune des douilles engagé à coulissement contre les éléments d'écartement au-dessous du centre de rotation pour maintenir ces éléments dans une position en retrait dans les douilles, position 5 pour laquelle les éléments d'écartement s'étendent sur une distance de 6,4 à 31,8 mm au-dessous de la surface inférieure de la plaque pare-éclaboussures, des moyens étant prévus pour maintenir les organes de retenue en place dans les douille s» 8. Trépan de forage pour le forage au jet hydraulique XO comprenant un corps creux fermé à son extrémité inférieure suivant l'une quelconque des revendications précédentes, et caractérisé par plusieurs plateaux sensiblement plats à leur extrémité inférieure s'étendant vers le bas depuis l'extrémité inférieure du trépan, des canaux d'écoulement séparant les plateaux et s'éten-15 dant vers l'extérieur jusqu'à la périphérie du corps du trépan, des tnyères pour l'écoulement du liquide de forage s'étendant à travers l'extrémité inférieure du corps du trépan et dont les sorties se trouvent sensiblement dans le plan des plateaux, les éléments d'écartement s'étendant vers le bas à partir des plateaux* 20 Trépan de forage suivant la revendication 8, carac-. térisé en ce que les tuyères sont placées de manière à tailler une rainure externe ayant un diamètre externe plus grand que le diamètre du trépan et plusieurs rainures concentriques séparées par des crêtes intermédiaires, les éléments d'écartement étant 25 placés de manière à pénétrer dans les rainures pour attaquer les crêtes séparant les rainures concentriques® 10* Trépan de forage suivant l'une quelconque des revendications. 8 et % caractérisé en ce que les éléments d'écartement présentent un certain fuselage vers le bas et sont placés 30 de manière à pénétrer dans les rainures et à attaquer les crêtes séparant ces dernières pour exercer une force radiale sur les crêtes» 11» Trépan de forage suivant l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que la surface avant des 35 plateaux, les éléments d'écartement et les tuyères sont constitués par des matériaux résistant à l'abrasion» 12. Trépan de forage suivant l'une quelconque des revendications. 6 à 11, caractérisé en œ qie les canaux d'écoulement intersectionnent en un endroit central l'extrémité avant du tré 70 25425 12 2051654 pan et attendent radialement rers l'extérieur jusqu'à la périphérie de celui-ci pour séparer des plateaux ayant une forme générale de secteur»