Brevet FR2123053A1 — publié le 19720908

La présente. invention concerne un nouveau trépan rotatif diamanté pour le forage de puits dans le sol, c'est à dire un outil de forage dont la surface active est constituée par des diamants enchassés dans une matrice solide et qui comporte des canaux d'admission du fluide de forage, ce fluide ayant pour fonction d'assurer le refroidissement des diamants et l'évacuation des déblais On sait qu'une des causes de la difficulté du forage rotatif dans les couches profondes réside dans les contraintes in situ qui s' exercent sur les formations rocheuses et qui croissent avec la profondeur. - Ces contraintes géostatiques s'exerçant in situ peuvent, lorsque la profondeur du forage est grande, devenir égales aux caractéristiques intrinsèques de résistance mécanique de la roche, ou même devenir plus importantes que ces dernières. Un premier objet de l'invention est par suite de réaliser un outil de forage capable de produire une décompression des roches sur une partie au moins du front de taille, de façon à faciliter la destruction de ces roches. Par ailleurs, si l'on considère la résistance mécanique propre de la roche, définie par ses trois caractéristiques intrinsèques qui sont la résistance à la traction, la résistance à la compression et la résistance- au cisaillement, on a observé que, pour tous les exemples connus de roches, la résistance à la compression est toujours plus grande que la résistance au cisaillement, cette dernière étant toujours supérieure à la résistance à la traction. Un second objet de l'invention est, par conséquent, de réaliser un outil de forage travaillant le moins possible par compression pour effectuer la rupture des roches, puisque la résistance à la compression des roches est la plus difficile à vaincre, les structures de coupe de cet outil utilisant au contraire le plus possible les mécanismes de rupture par cisaillement ou traction. D'autre part dans les outils de forage diamantés habituels, l'e.xpé- rience a montré que les plus gros déblais se forment dans la partie centrale de l'outil. Ces gros déblais sont généralement ceux que l'on récupère en surface sur le tamis vibrant pour l'analyse géologique. I1 y a donc intérêt à évacuer directement ces déblais vers l'espace annulaire entre outil et paroi du puits foré. Pour ce faire il faut éviter de faire cheminer le fluide de forage évacuateur des déblais du centre de l'outil vers sa périphérie, comme dans les outils de forage diamantés classiques. Un objet supplémentaire de l'invention est par suite d'adopter pour l'outil de forage une disposition des orifices d'admission du fluide de forage et des canaux d'évacuation de ce fluide, telle que l'évacuation des déblais s'effectue directement du centre de outil vers l'espace annulaire. L'ensemble des objectifs ci-dessus indiqués est atteint, selon l'invention, avec un nouveau trépan rotatif diamanté comportant un corps d'outil pouvant être raccordé à des moyens d'entratnement en rotation, ce corps d'outil formant à sa partie inférieure une zone d'attaque du sol constituée de diamants enchaussés dans une matrice solide et comportant des canaux d'irrigation de cette zone d'attaque en fluide de forage, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison a) une zone de travail constituée d'une part dtune couronne périphérique diamantée délimitant un évidement central à la base de l'outil, cette couronne étant de largeur aussi réduite que le permet la résistance mécanique.du trépan et d'autre part d'une zone centrale de travail formée de plages d'attaque du terrain agencées dans ledit évidement central sur une surface de révolution évasée dont le diamètre diminue lorsqu'on s'éloigne de la base du trépan b) un système d'irrigation du front de taille en fluide de forage, comportant des canaux assurant l'écoulement de ce fluide de la périphérie de l'outil à la zone centrale, sa répartition à travers les plages de ladite zone centrale et son évacuation au-dessus de l'outil, dans l'espace annulaire entre l'outil et puits foré. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, auquel il semble que l'on doive donner la préférence, ladite surface de révolution évasée délimitant la zone centrale de travail aura un angle d'ouverture (angle au sommet) compris entre 40 et 100 o. Les plages d'attaque de la zone centrale pourront être armées de diamants placés suivant des gradins, ces gradins ayant une disposition en spirale ou étant constitués de secteurs circulaires décalés dont le rayon varie d'une plage à l'autre sur ladite zone d'attaque, sans que ces dispositions puissent être considérées comme limitatives. Dans un mode avantageux de réalisation de l'invention, lesdits canaux du système d'irrigation du front de taille comportent des canaux d'alimentation débouchant par des orifices d'admission sensiblement à la péripherie du trépan, des canaux distributeurs haute pression et des canaux collecteurs basse pression, disposés respectivement de part et d'autre desdites plages d'attaque de la zone centrale, lesdits canaux distributeurs communiquant à leur partie in-férieure avec lesdits orifices d'alimentation et lesdits canaux collecteurs étant reliés à leur part Le supérieure à des orifices de remontée du fluide de forage directement ouverts dans l'espace annulaire entre outil et puits foré. Un exemple de réalisation de l'invention n'ayant aucun caractère limitatif est décrit ci-après en se référant aux dessins annexés où - la figure 1 est une vue de dessous du trépan, - la figure 1A est une vue en coupe suivant le plan axial A-A indiqué sur la figure 1, - la figure 2 est une vue perspective du trépan. Sur les différentes figures, où les mènes références numériques ont été utilisées pour désigner les mêmes éléments, la référence 1 désigne d'une façon générale le corps d'outil qui se prolonge à sa partie inférieure par la jupe 2 et qui sur la figure 2 est représenté au fond du puits foré 3. Cet outil forme à sa base une couronne périphérique 4 comportant des plages d'attaque du sol constitués de diamants 5 enchassés dans une matrice solide 6, ces plages étant séparées par des canaux 7 pour le passage du fluide de forage. La couronne /t travaille à la manière d'une couronne de carottage. Plle effectue la rupture das roches par compre-sion et comme, ainsi qu'on l'a iiiCic;ué, la rés.-tance des roches à la compression est la plus difficile à vaincre, on donne à cette couronne périphérique, une largeur aussi réduite que le permet la résistance mécanique du trépan. Cette couronne permet: cependant d'exercer un effort de coupe e ffica- ce, dans la ncs-re où la partie périphérique de l'outil est celle qui possède la plus grande vitesse de rotation. Ln couronne péripbérique 4, en supportant principalement l'effort de compression s'exerçant sur l'outil, crée dans l'évidement central S une zone de terrain 9 qui est décomprimée, c'est à dire dans laquelle les roches sont sensiblement soustraites aux contraintes géostatiques s exerçant in situ. Le trépan comporte dans l'évidement central 8 des plages diamantées d'attaque du terrain quiRdans cet exemple de réalisation,sont agencées suivant des secteurs (secteurs 10 à 15) d'une surface de révolution évasée dont le diamètre diminue lorsqu'on s'éloigne de la base du trépan. Dans l'exemple non limitatif représenté, cette surface rentrante ménagée à l'intérieur du trépan est sensiblement conique, la forme conique présentant l'avantage de la facilité d'usinage, mais il doit être entendu que I'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, utiliser d'autres formes de révolution évasées dont le diamètre diminue lorsqu'on s'éloigne de la base de l'outil. L'angle s (FIG. lA) d'ouverture de cette surface de révolution sera avantageusement compris entre 40 et 100 . Dans ces conditions on crée au centre de l'outil une carotte ayant sensiblement la forme d'un cône de terrain 9 qui est déjà décomprimé lorsqu'il est soumis à l'effort de destruction. La destruction de ce cône de roches, s'effectue par une réduction progressive de son diamètre au fur et à mesure que l'outil pénètre dans le terrain. Cette destruction est facilitée par la décompression pHEalable de la roche ainsi réalisée et par le fait que les secteurs diamantés 10 à 15 attaquent la roche en exerçant principalement des efforts de cisaillement. Dans le mode de réalisation représenté à titre d'exemple, les diamants 16 sont disposés en gradins sur chacun des secteurs 10 à 15, ces gradins pouvant soit être disposés en spirale autour de l'axe de l'outil, soit constituer des secteurs circulaires centrés sur l'axe de l'outil mais progressivement décalés par valiation de rayon du secteur circulaire d'une plage sur l'autre, de façon à assurer un balayage suffisamment complet de la paroi latérale du cône de roche 19 par les diamants 16, lors dc la rotation du trépan. On a ainsi réalisé un trépan dans lequel un volume minimal de roche est détruit par compression, en raison de la largeur réduite de la couronne périphérique 4, et dans lequel cette couronne périphérique est utilisée pour libérer des contraintes géostatiques in situ la partie centrale du front de taille où la roche est brisée par des mécanismes de rupture par cisaillement ou traction et flexion, c'est à dire dans les meilleures conditions possibles. En outre dans le trépan selon l'invention on remplace le mode de circulation du fluide de forage utilisé dans les outils diamantés classiques par un mode particulier de circulation ayant notamment l'avantage de réduire les phénomènes de rebroyage. Dans le mode classique de circulation du fluide de forage, ou "circulation directe" le fluide est admis sur le front de taille par un ou plusieurs orifices situés au voisinage de l'axe de outil et est drainé préférentiellement vers la périphérie du trépan. Il en résulte souvent que les particules de terrain déjà détachées dans la zone centrale de l'outil doivent cheminer tout au long de la face active du trépan avant d'être évacuées, ce que l'on désigne sous le nom de phénomène de rebroyage. Ce rebroyage a notamment pour inconvenient de rendre les déblais impropres à l'analyse géologique en surface. Cet inconvénient est en grande partie supprimé dans un trépan selon l'invention, gracie au mode particulier de circulation du fluide de forage qui a été adopté. Le système d'irrigation du front de taille comporte des canaux d'alimentation 17 débouchant par des orifices d'admission 18 vers la périphérie du trépan. Des canaux calibrés 19 à la périphérie de la jupe 2 permettent l'écoulement d'un débit limité du fluide de forage pour le refroidissement de la jupe 2. L'irrigation de la zone centrale de l'outil s'effectue par l'intermédiaire de canaux distributeurs haute pression 20 et de canaux collecteurs basse pression 21 disposés respectivement de part et d'autre des secteurs diamantés 10 à 15. Les canaux distributeurs 20 communiquent à leur partie inférieure avec les orifices d'alimentation 18 et les canaux collecteurs 21 sont reliés à leur partie supérieure à des orifices de remontée 22 s'ouvrant dans l'espace annulaire entre outil et puits foré (l'écoulement du fluide de forage est indiqué par des fleches sur les dessins). Au voisinage de l'axe du trépan, la carotte 23, formée au sommes du cône de terrain 9, est détruite essentiellement par des mécanismes de flexion et traction. On pourra éventuellement disposer à cet endroit un organe de destruction de la carotte, pouvant être d'un type connu, exerçant par exemple sur cette carotte un effort de flexion ou de cisaillement. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Nouveau trépan rotatif diailnté comportant un corps d'outil pouvant être raccordé à des moyens d'entraînement en rotation, ce corps d'outil formant à sa partie inférieure une zone d'attaque du sol constituée de diamants enchassés dans une narice solide et comportant des canaux d'irrigation de cette zone d'attaque en fluide de forage, caractérisé en ce qu'il comporte en com b inai son:: a) une zone de travail constituée d'une part d'une couronne périphérique diamantée délimitant un évidement central à la base de l'outil, cette couronne étant de largeur aussi réduite que le permet la résistance mécanique du trépan et d'autre part d'une zone centrale formée de plages d'attaque du terrain agencées dans ledit évidement central sur une surface de révolution évasée dont le diamètre diminue lorsqu'on s'éloigne de la base du trépan b) un système d'irrigation du front de taille en fluide de forage, comportant des canaux assurant l'écoulement de ce fluide de la périphérie à la zone een trale, a répartition à travers les plages de ladite zone centrale et son évacuation au-dessus de l'outil, dans l'espace annulaire entre outil et puits foré. 2.- Trépan diamanté selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dite surface de révolution évasée délimitant la zone centrale d'attaque du terrain a un angle d'ouverture compris entre 40 et 1000. 3.- Trépan diamanté selon la revendication l, caractérisé en ce que les plages d'attaque de ladite zone centrale sont armées de diamants disposés suivant des gradins. 4. - Trépan cita: noté selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits gradins ont une disposition en spirale. 5.- Trépan diamanté selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesuits gradins sert ces secteurs circulaires décalés dont le rayon varie d'une plage à l'autre sur ladite zone d'attaque. 6.- Trépan diamanté selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits canaux comprennent des canaux d'alimentation débouchant par des orifices d'admission sensiblement à la périphérie du trépan, des canaux distributeurs haute pression et des canaux collecteurs basse pression, disposés respectivement de part et d'autre desdites plages d'attaque de la zone centrale, lesdits canaux distributeurs communiquant à leur partie inférieure avec lesdits orifices d'alimentation et lesdits canaux collecteurs étant reliés à leur partie supérieure à des orifices de remontée du fluide de forage directement ouverts dans ltespace annulaire entre outil et puits foré.