Brevet FR2135053A1 — publié le 19721215

L'objet de la présente invention concerne un outil de forage à très haut rendement et de longue durée de vie du type à protubérances d'attaque réparties sur toute la surface de l'outil. La Compagnie Française des Pétroles a déjà décrit au brevet W° 69.07864 5 publié sous le N° 2.029.963 un outil de forage à très haut rendement remarquable notamment par le fait que sa structure ainsi que la constitution des matériaux utilisés permettent d'atteindre des vitesses d'avancement très élevées, quels que soient les terrains traversés, qu'il s'agisse de roches dures ou de terrains argileux tendant à colmater les outils. 10 L'invention a pour objet d'accroître encore la durée de vie d'outils de forage de ce genre, c'est-à-dire d'outils du type à protubérances d'attaque réparties sur toute la surface de l'outil et comportant une zone centrale creuse dans laquelle débouchent des conduits d'amenée de la boue de forage, l'invention étant caractérisée par le fait que les protubérances forment des 15 gradins ascendants allant de la base au nez de l'outil supposé en position verticale mais en sens contraire à sa position de forage, lesdits gradins étant répartis par groupes radiaux de protubérances possédant chacune, tout au moins en dehors des protubérances du nez de l'outil, deux faces radiales, une face périphérique et une face supérieure, de telle sorte que la face radiale 20 avant par rapport au sens de rotation de l'outil de chaque protubérance d'un même groupe radial coupe la face supérieure de la protubérance adjacente inférieure. L'expérience montre qu'avec une telle structure l'outil conserve un très haut rendement et qu'en plus son usure diminue considérablement. On constate 25 notamment que la circulation de la boue permet d'éliminer tous les débris arrachés par chacune des protubérances sans aucun colmatage des parties des faces supérieures se trouvant en retrait des faces périphériques des protubérances adjacentes et permet en outre d'obtenir un meilleur refroidissement de toutes les parties actives des surfaces d'attaque. 30 Un autre objet de l'invention est un outil de ce type dont les protubé rances du nez constituant les protubérances supérieures de l'outil dans la position indiquée possèdent des faces radiales avant recoupant les faces supérieures des protubérances en gradins et se prolongent dans la partie centrale et creuse de l'outil, de telle sorte que chaque orifice de conduit 35 d'amenée de boue de forage est séparé de l'orifice qui lui est voisin par l'un au moins des prolongements de ces protubérances supérieures qui lui sont adj acentes. On réalise de la sorte une série de véritables canaux séparés qu'il suffit d'alimenter en boue de forage à l'aide de ces orifices de même diamètre 40 raccordés à des conduits de même.débit pour répartir la boue d'une façon 71 15966 2135053 homogène et constante sur toute la périphérie du nez de l'outil. Un autre objet de l'invention est un outil de ce type dont les surfaces de l'outil entre deux protubérances du nez de l'outil sont constituées par des contreforts s'étendant en pente d'une partie de la face radiale arrière et à 5 proximité de l'arête supérieure d'une protubérance jusqu'à la base de la face radiale avant de la protubérance voisine. Il en résulte que la boue provenant de la partie centrale creuse de l'outil et passant entre lesdites protubérances a tendance à s'écouler sur la face radiale avant de la protubérance voisine et de là sur une partie de la 10 face horizontale de la protubérance adjacente inférieure. Un autre objet de l'invention est un outil de ce type dont on accroît le nombre des groupes de protubérances en gradins en disposant entre deux groupes radiaux s'étendant chacun d'une protubérance du nez de l'outil jusqu'à sa base un groupe radial intermédiaire s'étendant du niveau, des-faces horizontales des 15 protubérances inférieures adjacentes aux protubérances du nez de l'outil jusqu'à sa base, la distance entre les faces radiales avant des protubérances du groupe intermédiaire et les faces arrière des protubérances du groupe radial voisin étant plus grande que la distance entre les faces arrière du groupe intermédiaire et les faces avant des protubérances voisines de l'autre groupe 20 radial voisin. L'expérience montre qu'un tel accroissement du nombre des protubérances en respectant les dispositions en gradins permet d'obtenir un rendement accru de l'outil tout en conservant line parfaite irrigation de la boue de forage sur toutes les surfaces d'attaque, la rapidité plus grande de circulation de 25 la boue dans les gorges en gradins assurant à la fois un total déblai des terrains arrachés et un excellent refroidissement. D'autres objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description suivante faite en référence au dessin annexé qui représente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'outil de 30 forage. Sur le dessin : La figure 1 est une vue en perspective de l'outil, la figure 2 une vue schématique en plan montrant la disposition des groupes radiaux de protubérances, 35 la figure 3 la vue selon la coupe III-III de la figure 2, et la figure 4 la vue schématique de la face périphérique d'une protubérance. La vue en perspective de la figure 1 représente l'outil reposant sur la base du raccord fileté 1 permettant son vissage sur une tige appropriée. 40 Chaque protubérance comporte, comme celle représentée en 2 figures 1 et 2, une 71 15966 3 2135053 face supérieure 2a, une face périphérique 2b, une face radiale avant 2c et une face arrière 2d. Dans le mode de réalisation préféré, ces faces sont planes, les faces radiales étant bordées de contreforts. Les protubérances sont réparties en groupes radiaux comme ceux repré-5 sentés en 3 et 4, composés respectivement des protubérances 5 à 9 et 10 à 14. Dans le mode de réalisation considéré, ces groupes qui comprennent les protubérances 9 et 14 du nez de l'outil, sont séparés par des groupes radiaux intermédiaires comme le groupe 33 composé des protubérances 15 à 18. En plus de leur répartition radiale, les protubérances sont réparties 10 en couronnes. Dans l*exemple choisi, les protubérances 5 à 8, 10 à 13 et 15 à 18 sont ainsi disposées sur quatre secteurs de couronnes, les protubérances 5, 15 et 10 étant réparties sur la couronne de plus grand diamètre, les protubérances 8, 18 et 13 sur celle de plus petit diamètre. Les surfaces supérieures de ces protubérances ayant été choisies planes et horizontales dans ce mode de 15 réalisation, ces surfaces sont donc disposées dans un même plan. Les protubérances du nez de l'outil 9, 14, 19, 20, etc..., comportent des prolongements s*étendant dans la région centrale et creuse de l'outil plus visible figure 3. Ces protubérances comportent des surfaces périphériques planes comme 20 20b similaires - aux faces périphériques des autres protubérances mais présentent sur leur partie supérieure une série de dents 20a s*étendant sur tout le prolongement intérieur à la partie centrale. Au fond de la cavité 21 se trouvent quatre orifices 22 à 25, figure 2, où débouchent les canaux d'amenée de la boue. Chacune des protubérances 14» 20, 25 26 et 27 sépare deux orifices voisins, l'extrémité de la protubérance 14 séparant par exemple les orifices 22 et 25» Les autres protubérances 9, 19, 34 et 35 possèdent des prolongements dont les extrémités s'arrêtent sur la paroi de la partie creuse à une distance du fond permettant le libre passage des terrains arrachés et drainés par la, 30 boue. Celle-ci passant à travers les orifices est donc canalisée de façon à assurer un débit déterminé entre les prolongements internes des protubérances des divers groupes radiaux. Les protubérances sont inclinées, comme le montre la figure 4» afin de présenter un même angle de coupe compris entre 6 et 14°. Toutes les protubé— 35 rances périphériques, 5 par exemple, surmontent des surfaces inférieures légèrement en retrait par rapport à leurs faces périphériques 5b. De plus, toutes les faces périphériques 28b, figure 3, par exemple, sont légèrement inclinées sur la face horizontale 29a de la protubérance inférieure, de façon ii présenter un angle de dépouille de 1 à 6°. Sur la même figure 3, la ligne 30 40 représente le profil de l'outil entre deux groupes radiaux de protubérances 71 15966 4 2135053 et la ligne 36 le profil des protubérances du groupe radial partant de la protubérance 20. Selon une première variante, chaque protubérance est consolidée sur sa face radiale arrière par un contrefort, partant d'une partie voisine du bord 5 supérieur de la face radiale et s'étendant en pente pour venir se raccorder à la base de la face radiale avant de la protubérance suivante. Selon une seconde variante, représentée figure 1, les faces radiales avant et arrière de chaque protubérance du nez de l'outil comportent des contreforts venant se raccorder aux contreforts des protubérances adjacentes 10 de façon que le raccordement des contreforts, tel que 31, entre les protubérances 9 et 14 se trouve dans la zone la plus basse du nez. Cette zone sert de passage à la boue de forage qui s'écoule entre les groupes radiaux attenant aux protubérances considérées. Elle peut être aussi légèrement déportée vers la face radiale avant de la protubérance qui la suit immédiatement par rapport 15 au sens de rotation de l'outil. La zone de raccordement d'un contrefort 32 par exemple de la face radiale arrière d'une protubérance 18 à la face radiale avant de la protubérance suivante 8 coupant la face horizontale de la protubérance 7 «n arrière de la ligne d'intersection de la protubérance 8 avec la face horizontale de la 20 protubérance 7, on voit que la boue s*écoulant entre deux protubérances du nez de l'outil : 9 et 14, a tendance à balayer les contreforts se succédant radialement en cascade et à balayer les faces radiales avant et horizontales de chaque protubérance, supprimant ainsi tout risque de colmatage. On remarquera encore que le groupe intermédiaire 33 compris entre les 25 groupes radiaux 3 et 4 est plus rapproché du groupe 3 que du groupe 4, de sorte que le débit de boue circulant entre les protubérances 9 et 14 se divise convenablement en un premier courant entre les groupes 3 et 33 et en un second courant entre les groupes 33 et 4 au lieu de s'écouler seulement ou en presque totalité dans l'intervalle compris entre les groupes 3 et 33. 30 Selon un mode de réalisation particulier, les protubérances d'un même groupe radial présentent des arêtes à l'intersection de leurs faces horizontale et périphérique situées dans un même plan. Cette disposition permet de mieux répartir les efforts exercés par chaque protubérance. Bien que l'on n'ait décrit dans ce qui précède qu'un mode de réalisa-35 tion de la présente invention, il est bien évident que l'on ne sortirait pas du cadre de la présente invention en ajoutant d'autres groupes intermédiaires s'étendant de la base à un niveau situé au-dessous de la protubérance supérieure d'un groupe intermédiaire déjà décrit. De même, les protubérances du nez pourraient être identiques en dehors de la partie centrale de l'outil 40 aux autres protubérances, le prolongement à l'intérieur de la partie centrale 71 15966 5 2135053 pouvant éventuellement ne pas comporter de dents. Les dentures des protubérances du nez peuvent être constituées par une multiplicité de petites arêtes toutes parallèles au mouvement de rotation de façon à constituer des passages creux entre Jeux arêtes consécutives ou de petites cannelures. Quant aux 5 orifices amenant la boue de forage, ces derniers pourraient être.éventuellement complétés par d'autres orifices. Enfin, les diverses faces des protubérances pourraient présenter des surfaces non planes et les faces radiales arrière couper partiellement la base de la face périphérique de la protubérance supérieure qui lui est adjacente. 10 Selon une variante, les lames des groupes intermédiaires sont décalées, soit vers le *>aut, soit vers le bas, d'une hauteur de l'ordre de la dimension des grains de diamant utilisés, ces diamants pouvant être noyés dans la masse métallique formant les parties d'attaque des protubérances. A titre d'exemple, ce décalage peut varier de là quelques millimètres. Cette disposition x5 particulière permet d'accroître la profondeur du forage susceptible d'être effectuée sans remontée de l'outil et quelles que soient les différences des caractéristiques des terrains rencontrées tout en conservant une vitesse élevée de forage. L'expérience montre en effet que cette disposition permet de forer i travers les couches même de grande épaisseur des terrains supérieurs ZO sans usure considérable des surfaces de travail des protubérances, de sorte qu' la rencontre des couches dures inférieures et même en cas d'usure d'une partie des faces de travail des protubérances aes groupes de lames décalées vers le nez de l'outil, celui-ci se comporte d'une façon excellente puisque les efforts co;nmencent seule rient porter sur les protubérances des lames des 25 groupes le protubérances en retrait par rapport au nez de l'outil. On notera d'autre part que ce faible décalage contribue encore à favoriser l'écoulement de la boue améliorant encore la résistance de l'outil l'usure. • 71 15966 6 2135053 REVENDICATIONS 1°) Outil de forage à protubérances d'attaque réparties sur toute la surface de l'outil et comportant une zone centrale creuse dans laquelle débouchent des conduits d'amenée de la boue de forage, caractérisé par le fait que les protubérances fornent des gradins ascendants allant de la base au nez de l'outil supposé en position verticale mais de sens contraire à sa position de forage, lesdits gradins étant répartis par groupes radiaux de protubérances possédant chacune, tout au moins en dehors des protubérances du nez de l'outil, deux faces radiales, une face périphérique et une face supérieure, de telle sorte que la face radiale avant, par rapport au sens de rotation de l'outil, de chaque protubérance d'un même groupe radial coupe la face supérieure de la protubérance adjacente inférieure. 2*) Outil de forage tel que revendiqué en 1 dont la face périphérique de chaque protubérance d'un même groupe radial coupe la' face supérieure de la protubérance adjacente inférieure. 3°) Outil de forage tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 et 2 dont les bords arrière des faces supérieures des protubérances d'un même groupe radial sont sensiblement dans un même plan. 4°) Outil tel que revendiqué dans l'uné quelconque des revendications 1 3 dont les faces supérieures des protubérances sont planes et réparties en couronnes dont les niveaux sont ceux des faces horizontales des protubérances de l'un quelconque desdits groupes radiaux. 5°) Outil de forage tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 4 dont les protubérances du nez de l'outil possèdent des faces radiales avant coupant les faces supérieures des protubérances adjacentes inférieures. 6°) Outil de forage tel que revendiqué en 5 dont les protubérances du nez de l'outil possèdent des faces périphériques coupant les faces supérieures des protubérances adjacentes inférieures. 7°) Outil de forage tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 4 à 6 dont les protubérances du nez de l'outil se prolongent dans la partie centrale creuse de l'outil et de telle sorte que chaque orifice de conduit d'amenée de boue de forage est séparé de l'orifice qui lui est voisin par l'un au moins des prolongements de ces protubérances. 8°) Outil de forage tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 7 dont les surfaces de l'outil entre deux protubérances du nez de l'outil sont constituées pair les surfaces des contreforts s'étendant en pente d'une partie de la face radiale arrière et à proximité de l'arête supérieure de la protubérance avant, par rapport au sens de rotation de l'outil, jusqu'à la base du contrefort de la face radiale avant de la protubérance 71 15966 7 2135053 arrière suivante. 9*) Outil de forage tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 4 à 7 dont les surfaces de l'outil entre deux protubérances consécutives de même niveau sont constituées par les surfaces des contreforts 5 s*étendant en pente d'une partie de la face radiale arrière et à proximité de l'arête supérieure de la protubérance avant par rapport au sens de rotation de l'outil jusqu'à la base du contrefort de la face radiale avant de la protubérance arrière suivante. 10*) Outil de forage tel que revendiqué dans l'une quelconque des 10 revendications 4 à 7 dont la surface de l'outil entre deux protubérances consécutives de même niveau est constituée par la surface du contrefort s*étendant du bord arrière des faces supérieure et périphérique de la protubérance avant par rapport au sens de rotation de l'outil jusqu'à la face radiale avant de la protubérance arrière suivante, de telle sorte que l'ensem-15 ble des surfaces comprises entre deux protubérances consécutives forme une surface en gradins décalée à la fois vers la base de l'outil et vers son axe par rapport aux gradins formés par les faces supérieure et périphérique de chaque protubérance d'un mène groupe radial. 11*) Outil de forage tel que revendiqué dans l'une quelconque des 20 revendications 9 et 10 possédant entre deux groupes radiaux consécutifs de protubérances partant de deux protubérances du nez de l'outil, un groupe radial intermédiaire de protubérances s'étendant seulement de la base de l'outil jusqu'au niveau des protubérances inférieures et adjacentes aux protubérances du nez de l'outil. 25 12*) Outil de forage tel que revendiqué en 11 dont ledit groupe inter médiaire est plus proche du groupe qui le suit dans le sens de la rotation de l'outil que du groupe qui le précède. 13°) Outil de forage tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 12 dont les faces périphériques, supérieures et radiales 30 avant sont planes. 14°) Outil de forage tel que revendiqué en 13 dont les faces radiales avant sont inclinées par rapport à la verticale pour présenter un angle de coupe identique compris entre 6" et. 14°. 15°) Outil de forage tel que revendiqué dans l'une quelconque des 35 revendications 13 et 14 dont les faces périphériques sont inclinées par rapport à la verticale pour présenter un angle de dépouille de 1° à 5°. 16°) Outil de forage tel que revendiqué en 15 dont les arêtes horizontales et périphériques d'au moins trois protubérances consécutives de chaque groupe se trouvent dans un même plan. 40 17°) Outil de forage tel que revendiqué dans l'une quelconque des 71 15966 2135053 revendications 1 à 16 dont la partie supérieure des protubérances du nez de l'outil et son prolongement dans la partie centrale creuse de l'outil forment une surface dentée, ladite surface présentant un arrondi denté constituant la partie la plus haute du nez de l'outil. 18°) Outil de forage tel que revendiqué en 17 dont les surfaces de sa face supérieure et de son prolongement présentent une succession de petites cannelures toutes parallèles au mouvement de rotation de l'outil. 19*) Outil de forage tel que revendiqué dans l'une quelconque des revendications 1 à 3 dont les surfaces supérieures des protubérances consécutives appartenant respectivement à deux groupes consécutifs sont décalées d'une même hauteur par rapport au nez de l'outil. 20*) Outil de forage tel que revendiqué en 11 dont les protubérances de chaque groupe radial intermédiaire sont décalées d'une même hauteur par rapport aux protubérances des autres groupes. 21*) Outil de forage tel que revendiqué en 11 dont les faces radiales des protubérances du nez de l'outil comportent des contreforts dont le raccordement s'effectue, entre deux protubérances adjacentes, dans la zone la plus basse du nez, ce raccordement étant plus proche de la protubérance arrière par rapport au sens de rotation de l'outil.