Brevet FR2079237A1 — publié le 19711112

-I' 2079237 L'invention concerne le forage des terrains et plus particulièrement, un trépan rotatif servant à forer des trous de grand diamètre. On peut effectuer le forage d'un trou de grand diamètre en forant un petit trou pilote à travers les formations, depuis ion premier emplacement jusqu'à une ouverture située en un deuxième emplacement et en élargissant ensuite le trou à la grandeur désirée par une opération d'alésage. Une fois que le trou pilote est achevé, on retire le trépan pilote et on fixe à la colonne de forage tua trépan de grand diamètre. A mesure que l'on fait tourner le trépan de grand diamètre et qu'on le déplace le long du trou pilote, il agrandit le trou pilote à la grandeur désirée. Le trépan de grand diamètre présente un corps central formé de plusieurs étages, chaque étage ayant un plus grand diamètre que l'étage précédent. Des éléments individuels de coupe sont montés sur chaque étage pour désagréger les formations à mesure que l'on fait tourner le trépan et qu'on le déplace le long du trou pilote. Le trépan est fixé à une colonne rotative de forage par tme tige montée suivant l'axe central du trépan. La technique antérieure est représentée par-le brevet américain n* j5 220 494 dans lequel on élargit un trou pilote à la grandeur désirée en faisant tourner et en tirant vers le haut le long du trou pilote un trépan de grand diamètre. Cette opération impose une forte usure et une grande fatigue au trépan de grand diamètre ; par conséquent, on a besoin d'un trépan de grand diamètre pouvant résister à des conditions de forage rudes. Il est désirable de maintenir le coût du trépan aussi bas que possible. Pour y parvenir, il faut maintenir à ion minimum la quantité de matières très coûteuses que l'on utilise dans le trépan. Il faut exécuter le processus de fabrication du trépan de la façon la plus économique possible et il faut que la longévité du trépan soit grande. Le trépan de grand diamètre doit avoir une grande masse afin d'avoir une solidité et une rigidité suffisantes. Il doit fonctionner régulièrement sans vibrations excessives et doit tendre à suivre le trou pilote. Les éléments de coupe doivent être disposés de façon telle qu'ils maintiennent par nature une masse équilibrée et qu'ils annulent aussi les forces de forage en les 71 03710 -2- 2079237 mettant en équilibre entre elles. Un trépan soigneusement équi-libré a line plus grande longévité et peut forer un trou droit. Les trépans antérieurs n'atteignent que partiellement ces buts. S'il était possible de fabriquer un trépan parfait, il faudrait 5 encore que le trépan fore une formation rocheuse hétérogène et le corps et la tige du trépan seraient soumis à de grands efforts avec le choc élevé. La tige joue le rôle d'un pilote pour guider le trépan le long du trou pilote et elle est soumise à une forte usure par abrasion, à de grands efforts de traction et de torsion 10 et à de grandes tensions de flexion pendant le forage. Les trépans antérieurs comportent bien des éléments de coupe remplaçables mais ils ne présentent pas de tige rempla-çable. A cause de la tension, de l'usure et des autres mauvais traitements subis par la tige, sa durée est plus courte que celle 15 du corps. Il s'ensuit des frais de forage élevés parce qu'il faut jeter des trépans à cause d'une défaillance de la tige alors même que le corps du trépan est encore en état de servir. En outre, il est impossible de changer la grandeur de la portion de stabilisatÉUE de la tige des trépans antérieurs pour corriger 20 une dimension insuffisante de celle-ci parce que les tentatives faites pour souder la matière de la tige entraînent des discontinuités et une défaillance ultérieure de la tige. Le coût de la fabrication des trépans antérieurs est élevé parce qu'on utilisait plus de matières très coûteuses qu'il 25 n'était nécessaire pour lutter contre l'usure et la tension. La fabrication des trépans antérieurs nécessitait des processus d'assemblage compliqués et coûteux. En outre, la fabrication des trépans antérieurs comprenait des processus d'alignement compliqués de la tige et de divers autres éléments avec la nécessité 30 d'opérations ultérieures d'usinage. L'invention proposé un trépan de grand diamètre servant à aléser un trou pilote pour former un trou de grand diamètre en faisant tourner et en tirant le long du trou pilote le trépan de grand diamètre. La tension et l'usure considérables rencontrées 35 dans l'opération d'alésage ont pour effet que certains éléments s'usent beaucoup plus tôt que d'autres, notamment les éléments de coupe de la tige. Le trépan de l'invention permet de remplacer les éléments qui ont une longévité relativement courte ce qui 71 03710 207,9237 augmente la longévité du trépan et réduit le coût. La tige est remplaçable aussi bien que les éléments individuels de coupe j cela permet de remplacer facilement les éléments qui subissent la plus grande tension et la plus grande usure. La longévité 5 relativement courte des éléments individuels de coupe résulte de leur contact presque constant avec les formations et de l'exposition à l'usure et aux mauvais traitements qui en résulte. La tige touche aussi les formations et subit line usure et des mauvais traitements prononcés. Un mode d'exécution de l'invention com-10 prend une portion de stabilisateur de la tige remplaçable. Ce stabilisateur présente approximativement le même diamètre que le trou pilote et par conséquent, il est exposé à une usure importante. Quand la tige et le stabilisateur atteignent la fin de leur durée utile, on peut les retirer et insérer à leur place 15 une nouvelle tige et un nouveau stabilisateur. D'autres facteurs contribuent à limiter la durée utile de la tige. L'un de ces facteurs réside dans les tensions considérables subies par la tige. La tige absorbe une tension importante parce qu'elle constitue la seule liaison entre la colonne 20 de forage et le corps du trépan. Toute l'énergie venant de l'équi pement rotatif est transmise au trépan par la tige. Généralement, le trou pilote tend à dévier ce qui donne une série de courbes sur la longueur du trou pilote. Lorsqu'on tire le trépan de grand diamètre le long du trou pilote, la géométrie du forage se modi-25 fie. Il s'ensuit qu'une tension considérable est transmise à la tige quand on tire le trépan de grand diamètre à travers les cour bes. Le rayon extérieur du trépan de grand diamètre peut être plusieurs fois supérieur au rayon du trou pilote de sorte que le moment engendré est grand. Quand des éléments de coupe situés 30 sur le rayon extérieur du trépan rencontrent une résistance, par exemple quand on fore suivant une courbe, une tension accrue est ainsi appliquée à la tige. On comprend que des variations dans les formations rencontrées compliquent les conditions ci-dessus et augmente les difficultés de forage. 35 Par conséquent, il faut construire la tige en matière pouvant résister dans ces conditions. Une telle matière est coûteuse et toute réduction de la quantité de cette matière dans le trépan entraîne une économie. Le trépan de l'invention permet 71 03710 2079237 de traiter séparément le corps et la tige du trépan. On peut fabriquer la tige en matériaux très résistants" tandis que le corps peut comprendre des matériaux peu résistants et donc moins cou-teux. Les frais de fabrication du trépan de l'invention sont 5 aussi plus réduits que dans la technique antérieure parce que les processus d'assemblage et d'alignement sont moins importants. Le trépan de l'invention est formé de multiples étages. Les étages successifs ont des diamètres croissants et chaque étage porte de multiples éléments de coupe, ce qui assure que 10 toutes les portions des formations subissent l'action voulue pour pour former le trou de grand diamètre. En outre, les étages gradués assurent la stabilité du trépan pendant le forage et empêchent la déviation. Les éléments individuels de coupe sont montés sur des plaques qui sont centrées et perpendiculaires à l'axe 15 central du trépan. Les plaques sont séparées par des segments creux de soutien. La tige est fixée de façon amovible au premier étage le long de l'axe central du trépan. La multiplicité des étages donne au corps du trépan un degré de rigidité qu'on ne trouve pas dans les trépans de la technique antérieure. 20 Aussi, l'un des buts de l'invention est de fournir un tré pan servant à forer un trou de grand diamètre et muni d'une tige remplaçable. Un autre but est de fournir un trépan servant à forer un trou de grand diamètre et qui soit plus efficace et plus écono-25 mique que ceux de la technique antérieure. Un autre but de l'invention est de fournir un trépan de grand diamètre qui donne un meilleur résultat que ceux de la technique antérieure. Un autre but de l'invention est encore de fournir un tré-30 pan de grand diamètre qui soit moins coûteux que ceux de la technique antérieure. Les buts et avantages ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront à l'examen de la description suivante qui se réfère aux dessins sur lesquels : 35 la figure I est une vue éclatée d'un trépan selon l'in vention ; la figure 2 montre un autre mode d'exécution de la tige remplaçable de l'invention ; 71 03710 -5- ■2079237" la figure 3 montre un autre mode d'exécution d'un trépan de l'invention. On considérera maintenant la figure I ; une série de plaques 10, II et 12 sont séparées par des segments cylindriques 5 creux 13 et 14. Les plaques 10, II et 12 sont fixées fermement aux segments 13 et 14 par des moyens appropriés, par exemple par soudage ou au moyen d'une série de boulons. Le premier étage de forage comprend une série de quatre éléments de coupe 15 montés dans une série correspondante de 10 sabots 16. Les sabots 16 sont fixés fermement à la plaque 10. Bien que l'on ait représenté quatre sabots et quatre éléments de coupe aux fins d'illustration, il est entendu que l'on peut utiliser un nombre différent de sabots et d'éléments de coupe sans sortir du cadre de l'invention. La condition fondamentale est 15 que le trépan reste équilibré. Les éléments de coupe 15 sont des molettes et sont montés de façon amovible dans des sabots 16. Un exemple de ce type d'élément de coupe est décrit dans le brevet américain n° jj 203 492. Le deuxième étage de forage comprend une série de quatre 20 éléments de coupe 17 montés dans une série correspondante de sabots 18 similaires à la disposition d'éléments de coupe et de sabots décrite à propos du premier étage de forage. Les éléments de coupe sont montés à line plus grande distance de l'axe central 19 que les éléments de coupe 15 du premier étage de forage afin 25 d'assurer que toutes les portions des formations soient désagrégées. Le troisième étage de forage est similaire aux deux étages précédents si ce n'est que les éléments de coupe 20 et les sabots 21 sont montés à une plus grande distance de l'axe central. 30 Ainsi, on peut voir que le trépan présente plusieurs étages de forage, les étages diminuant progressivement de diamètre. Lorsqu'on fait tourner le trépan et qu'on le tire le long d'un trou pilote, le trou pilote s'élargit au diamètre voulu. On peut comprendre que l'on peut ajouter des étages supplémentaires au tré-35 pan pour former un trou de diamètre encore plus grand. Les plaques 10, II et 12 et les éléments cylindriques 13 et 14 assurent la résistance et la rigidité du trépan sans nécessiter les matériaux de grande résistance et donc coûteux 71 03710 -6- 2079237 que l'on utilise dans la tige 22."On peut aussi comprendre que dans le trépan de l'invention, une plus grande part de la masse est située près des surfaces de forage que dans les trépans de la technique antérieure et par conséquent, il s'agit d'un trépan 5 donnant de meilleurs résultats, te trépan doit maintenir son alignement et sa forme pendant le forage parce que tout changement causerait un déséquilibre et engendrerait par conséquent des tensions nuisibles. Le trépan de l'invention atteint ce but et il est plus solide et plus sûr que ceux de la technique anté-10 rieure. On fixe le trépan de grand diamètre à une colonne rota- tive de forage. 23 afin d'agrandir un trou pilote. La tige 22 comprend des moyens usuels tels qu'un raccord fileté 24 permettant de relier le trépan à la colonne de forage 23. La tige 22 15 pénètre dans le trépan et y est fixée. La tige 22 peut être fixée fermement au corps du trépan par des moyens appropriés, par exemple par soudage. Par exemple, on peut souder la tige 22 aux plaques II et 12 de manière à la fixer fermement au corps du trépan. Quand on veut remplacer la tige 22, on peut couper les 20 soudures et enlever la tige 22. On envisage d'autres moyens appropriés pour la fixation amovible de la tige au corps principal du trépan. Par exemple, la tige 22 peut présenter un segment fileté qui s'adapte à un filetage de l'une des plaques ou bien la tige 22 peut être boulonnée au corps du trépan. 25 La trépan de l'invention assure une économie notable parce que la quantité de matériaux de grande résistance et de prix élevé est plus faible que dans les trépans de la technique antérieure. La tige 22 peut être traitée séparément du corps principal et ensuite fixée à celui-ci, ce qui réduit le coût de 30 la fabrication en éliminant les processus compliqués d'assemblage et d'alignement. En outre, on peut utiliser le corps principal du trépan pour agrandir des trous pilotes de différente grandeur en utilisant une tige d'un diamètre qui s'adapte à celui du trou pilote. 35 La figure 2 montre un autre mode d'exécution de la tige remplaçable, désigné par la référence générale 25. La tige 25 comprend un agencement 26 permettant l'assemblage à la colonne de forage et un segment stabilisateur 27. Le segment stabilisa 71 03710 -7- 2079237 teur 27 assure que le trépan suive le trou pilote et l'empêche de dévier pendant que le forage progresse. Le segment stabilisateur 27 subit la majeure partie de l'usure due à son application au trou pilote. On peut insérer de multiples clous ou éléments durs 28 sur le segment stabilisateur 27 pour supporter l'usure et assurer la continuité du forage. La tige 25 peut ttre fixée au corps principal du trépan et en être retirée au moyen d'un raccordement fileté 29 ou par d'autres moyens appropriés comme ceux que l'on a expliqués précédemment à propos de la figure I. On considérera maintenant la figure 3 qui montre un autre mode d'exécution du trépan de l'invention. Une tige amovible 30 peut être fixée à une colonne rotative de forage 31 par un raccordement fileté 32. Un premier étage de forage comprend une série de quatre éléments de coupe 33. Les éléments de coupe 33 sont supportés par la tige 30 et la plaque 34. Sur la plaque 34 sont montés quatre éléments de soutien 35. Les éléments 35 supportent par une extrémité des molettes de coupe 33. L'autre extrémité des molettes 33 est supportée par quatre éléments de soutien 36 montés sur la tige 30. La plaque 34 s'adapte sur la tige 30 et y est soudée ou fixée par d'autres moyens appropriés. Un élément creux de soutien 37 est fixé à la plaque 34 et une plaque 38 est fixée à l'autre extrémité de l'élément creux de soutien 37. La tige 30 est aussi fixée à la plaque 38 par soudage ou par un autre moyen approprié. La plaque 38 supporte des éléments de coupe 39 montés dans des sabots 40. Un deuxième élément creux de soutien 41 est fixée à la plaque 38 et une plaque 42 est fixée à l'autre extrémité de l'élément creux de soutien. La plaque 42 supporte aussi une série d'éléments de coupe 43 montés dans une série correspondante de sabots 44. La plaque 42 comprend une ouverture 45 assurant l'accès à l'assemblage entre la tige 30 et la plaque 34. Gela permet de fixer facilement la tige 30 au corps du trépan et de l'en retirer facilement. 71 03710 -8- 2079237 - REVENDICATIONS - 1 - Trépan servant à forer un trou de grand diamètre et caractérisé par le fait qu'il comprend un corps principal, une tige et des moyens permettant de relier la tige au corps princi- 5 pal et de l'en détacher. 2 - Trépan servant à élargir un trou pilote en un trou de grand diamètre et caractérisé par le fait qu'il comprend un corps principal comprenant de multiples stades de forage et une tige reliée de façon amovible au corps principal. 10 3 - Trépan selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les multiples étages de forage augmentent progressivement de diamètre. 4 - Trépan selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le corps principal comprend de multiples plaques qui 15 sont séparées par de multiples éléments creux de soutien et fixées à ceux-ci et que les multiples étages de forage comprennent de multiples sabots dans lesquels sont montés des éléments de coupe, les sabots et les éléments de coupe étant montés sur les plaques. 20 5 _ Trépan selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les multiples étages de forage augmentent progressivement de diamètre. 6 - Trépan selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la tige est reliée de façon amovible à au moins une des 25 plaques. 7 - Trépan servant à élargir un trou pilote en désagrégeant les formations qui entourent le trou pilote, trépan destiné à être fixé à une colonne rotative de forage et caractérisé par le fait qu'il comprend d'une part un corps principal compre- 30 nant une première plaque, une deuxième plaque, un premier élément creux de soutien relié à la première et à la deuxième plaques et séparant celles-ci et de multiples agencements de coupe servant à désagréger les formations et montés sur les premières et deuxièmes plaques, d'autre part une tige reliée de façon amovible à 35 au moins une des plaques de manière à fixer le trépan à la colonne rotative de forage. 8 - Trépan selon la revendication J, caractérisé par le fait qu'il comprend une troisième plaque, un deuxième élément 71 03710 -9- 2079237 creux de soutien relié aux deuxième et troisième plaques et séparant celles-ci et de multiples agencements de coupe servant à désagréger les formations et montés sur la troisième plaque. 9 - Trépan selon la revendication 8/ caractérisé par le 5 fait qu'il comporte une ouverture prévue dans la troisième plaque pour donner accès à la deuxième plaque. 10 - Trépan selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une plaque supplémentaire sur laquelle sont montés des agencements de coupe et au moins un élé- 10 ment creux supplémentaire, 11 - Trépan selon la revendication 10, caractérisé par le fait que la tige comprend un segment stabilisateur de diamètre agrandi.