Brevet FR2198048A1 — publié le 19740329

La présente invention concerne d'une manière générale les trépans et plus particulièrement les trépans destinés au forage de formations terrestres. Elle concerne un trépan nouveau et perfectionné qui fore d'une manière efficace des formations terrestres dures et qui est particulièrement destiné au forage de trous de grand diamètre. I1 comprend des roulettes qul découpent des entailles dans la formation et qui brisent les parties de cette dernière situées entre les entailles. Elle concerne également une molette perfectionnée, destinée à la découpe d'entailles et comportant au moins une surface de coupe relativement continue, en forme de ciseau qui est appliqué contre la formation. La molette comprend des surfaces de coupe renforcées de manière que sa durée de service soit prolongée. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels La figure 1 est une vue en plan de l'extrémité de coupe d'un trépan selon l'invention. La figure 2 est une coupe partielle, d'une molette de coupe, appliquée contre la formation; La figure 3 est une coupe partielle d'une molette,. suivant la ligne 7-3 de la figure 2 (la formation n'étant pas représentée); et La figure 4 est une coupe de la molette et représente son montage sur la'têtue du trépan. Pour la découpe d'entailles dans les formations terrestres avec des ròictts comportant des surfaces de coupe circonférentielles relativement continues, il est avantageux qu'une telle surface ait sensiblement la forme A'un ciseau. Une surface de coupe en forme de ciseau découpe dans la formation des entailles dans lesquelles elle agit comme un coin afin de briser les parties de la formation située entre les entailles. le fonctionnement d'une telle mo]ette comportant au moins une nervure circonférentielle sensiblement en forme de ciseau, orientée vers l'extérieur de son corps, est satisfaisant si la formation n'est pas trop abrasive. Si la formation est abrasive, il est préférable que des éléments de coupe durcis ou éléments rapportés soit placés sur la surface de coupe. Une molette selon l'invention comprend au moins une nervure cir conférentielle sur laquelle sont disposés des éléments de coupe durcis ou éléments rapportés. Du fait de sa forme, la nervure entoure et supporte sensiblement la totalité de toutes les parties de l'élément rapporté, sauf ses faces de coupe. La nervure et ses éléments rapportés appliquent une surface de coupe relativement continue et en forme de ciseau contre la formation.De ce fait, la molette comporte des surfaces de coupe renforcées et sa durée de service utile est prolongée. le trépan représenté sur la figure 1 est équipé d'une tête 10 comprenant un dispositif approprié (non représenté) permettant son montage sur le train de tiges de forage ou tout autre appareil qui doit supporter la tête et la faire tourner. Plusieurs molettes de coupe 11, fixées sur le côté de coupe de la tête 10, sont montées sur celles-ci de manière à être rotatives. Les molettes représentées sont de forme tronconiques et l'axe de chacune d'elles est orienté vers l'intérieur et vers l'extérieur de la tête 10, dans la direction de l'axe ion ou gitudina;/de son centre de rotation. La base de grand diamètre 12 de chaque molette ll est la partie extérieure de l'élément de coupe, par rapport à l'axe de rotation de la tête 10. Cependant, il est possible de faire varier la forme et ltemplacement de chaque molette 11. Chaque molette ll est conçue de manière à découper au moins une entaille ou gorge dans la face de la formation. Comme on le voit sur les figures 2, 3 et 4, la molette il comprend un corps 13, réalisé convenablement pour pouvoir être monté et tourner sur la tête 10. le corps 13 comprend trois nervures ou cordons circonférentiels 14, 15 et 16, orientés vers l'exté- rieur. Chaque nervure a sensiblement la forme dtun ciseau et agit comme une surface de découpe des entailles, La nervure peut comporter des surfaces soit planes (comme on le voit sur la figure 2), soit concaves ou convexes, aussi longtemps quelle conserve sensiblement la forme d'un ciseau. Il est préférable que la totalité de la molette 11, y compris so corps 13 et ses nervures 14, 15 et 16, soit cé montée 'à ltexception des congés 18 qui sont situés entre le corps et les nervures. De préférence les congés ne sont pas cémentés, afin d'éviter qutils ne deviennent cassants et afin de réduire le risque de fissuration du corps à leur endroit. Il est préférable que la bissectrice de l'angle inscrit entre les faces 19 de la nervure soit sensiblement perpendiculaire à la surface extérieure du corps 13 de la molette, Plusieurs éléments durcis de coupe et d'écrasement ou éléments rapportés 17, par exemple en carbure de tungstène, sont placés sur chaque nervure. Ils renforcent la surface de coupe qui est appliquée contre la formation. L'extrémité de l'élément rapporté appliquée contre la formation est sensiblement en forme de ciseau et ses faces 20 ont une forme à peu près smblb3.e à celle de la nervure su laquelle il est disposé. Chaque élément rapporté est placé sur la nervure de ma manière que les angles inclus de la forme en section droite de la nervure et de l'élément rapporté soit sensiblement les mêmes.Du fait que les nervures 14 et 16 ont des formes qui sont semblables à celles de leurs éléments rapportés, ces derniers sont cachés sur la figure 2. De même, l'élément rapporté 17 cache la nervure 15. La nervure et les éléments rapportés appliquent ensemble une surface de coupe relativement continue, en forme de ciseau, à la formation de sorte lorsqutun mouvement de rotation est imprimé au corps de la molette, une entaille circulaice est découpée sur la formation. Dans un mode de réalisation avantageux de la molette, la partie de l'élément rapporté qui est placée sur la nervure et sur le corps est circulaire. Chaque élément rapporté est ajusté à la presse dans une ouverture circulaire forée dans la nervure et le corps de la molette. tes éléments rapportés sont fixés dans ces ouvertures par un ajustage serré approprié. Il est préférable que la différence négative de diamètre soit comprisdentre 0,125 et 0,25 mm afin d'éviter que l'ouverture ne se fissure. Normalement, le forçage de l'ajustage et les forces exercées par la formation empêchent les éléments rapportés de tourner dans les ouvertures et de cesser hêtre alignés. Cependant, l'extrémité intérieure de chaque élément rapporté peut être clavetée convenablement, le cas échéant, sur le corps de la molette. Afin que la surface appliquée à la formation soit relativement continue et en forme de ciseau, il est préférable que 17 les éléments rapportés/soent placés sur la nervure et le corps de manière que la bissectrice de ltangle inscrit entre les faces 20 de l'extrémité de l'élément rapporté soit aussi sensiblement perpendiculaire au corps 13 de la molette. La forme précise de ciseau de chaque nervure et de ses éléments rapportés peut varier d'une nervure à autre, sur la même mollette. Par exemple, sur la molette représentée sur la figure 2, ltangle inscrit entre les faces 19 de la nervure 16 et les faces de ses éléments rapportés est plus aigu que l'angle inscrit entre les faces 20 de la nervure 15 et les faces 20a de ses éléments rapportés. Comme on le voit en particulier sur la figure 3, du fait de sa forme, la nervure 15 entoure et supporte sensiblement la totalité de chaque élément rapporté 17 placé sur elle, à l'ex- ception de ses faces 20a. Cette disposition renforce l'élément de coupe et prolonge la durée de service utile de la molette. Les faces de coupe 20 de la nervure 15 constituent une surface sensiblement continue avec les faces de coupe 20a de ses éléments rapportés 17. En conséquence la nervure et ses éléments rapportés appliquent une surface de coupe relativement continue, en forme de ciseau, contre la formation. La figure 4 représente une coupe détaillée de l'ensemble de coupe. L'ensemble de la molette 11 représenté comprend un support 21 comportant des branches de support intérieure et extérieure, 22a et 22b, espacées l'une de l'autre. La branche de support intérieure 21 comprend une ouverture 23 et la branche de support extérieure 22 une ouverture 24. Un palier 25 disposé entre les branches de support 22a et 22b contient un chemin de roulement 26 pour rouleaux, un autre chemin de roulement 27 pour rouleaux, un chemin de roulement extérieur 28 29 pour rouleaux et un chemin de roulement/pour billes. La molet- te 11 comporte un chemin de roulement intérieur 30 pour rouleaux, un chemin de roulement extérieur 31 pour rouleaux et un chemin de roulement 32 pour billes.Des rouleaux 33 sont disposés dans le chemin de roulements extérieur, des rouleaux 34 dans le chemin de roulement intérieur et des billes 35 dans le chemin de roulement qui leur est destiné. Le palier 25 comporte un alésage axial 36 et une ouverture 37, destinée au chargement des billes. L'ouverture 37 est forée à partir de ltalésage 36 dans le chemin de roulement 29 de sorte que les billes 35 peuvent être disposées dans ce dernier. Lorsque le chemin de roulement est garni complètement de billes 35, un bouchon de retenue 38 est introduit dans ltouverture 37 et une bague élastique 39 maintient par friction le bouchon en place dans le palier. L'ouverture 23 de la branche de support intérieure 22a et couverture 24 de la branche de support extérieure 22b sont alignées. Un coussinet 40 est disposé dans l'ouverture 23 et un coussinet 41 dans l'ouverture 24. Une cheville 43 introduite dans une fente 42 du coussinet 41 et dans la branche de support 22b empêche le coussinet 41 de tourner autour de son axe. Une broche de palier 44 passe dans les coussinets 40, 41 et dans le palier 25. Elle'est maintenue en place par une vis à tête 45 introduite dans la branche de support intérieure 22a par le coussinet 40 et la broche 44 et elle est vissée dans ltouver- ture 46. Un joint 48 est pressé ou fixé autrement à l'intérieur d'un fraisage 47 de l'extrémité extérieure de la molette 11, situé à proximité du chemin de roulement extérieur 31. Un joint 50 est pressé ou fixé autrement dans un fraisage 49 de l'autre extrémité de la mollette 11. Une saillie axiale ou bossage 51 prolonge une partie cylindrique d'un élément extérieur du palier 25. La saillie axiale comporte une surface plane 52 tour née radialement vers l'intérieur. le palier 25 comprend également une partie cylindrique intérieure 53, prolongée par une saillie axiale ou bossage 54 comportant une surface plane 55 tournée radialement vers l'intérieur. Un méplat 56 est réalisé à la partie inférieure de la branche de support intérieure 22a et un méplat 57 sur la partie inférieure de la branche de support extérieure 22b. En conséquence, lorsque le palier 25 est monté entre les branches de support intérieure et extérieure 22a et 22b sa surface plane 52 est mise en position par la surface plane 57 de la branche de support extérieure 22b sur laquelle elle est alignée et sa surface plane 55 est mise en position par la surface plane 56 de la partie inférieure de la branche de support 22a sur laquelle elle est également alignée. De cette façon, le palier est disposé d'une manière précise et les méplats évitent qu'un couple ne soit exercé sur la broche 44 pendant le fonctionnement du trépan. La disposition des méplats empêche également le palier 25 de tourner autour de son propre axe pendant le forage. Comme on le voit sur la figure 4, du fait de la disposition de la molette 11 sur le palier 25 et de la position de ce dernier entre les branches de support intérieure et extérieure, 22a et 22b, il existe un intervalle 58 entre la face extérieure de la molette 11 et la face intérieure de la branche 22b. Ces surfaces ménagent un intervalle à faces sensiblement parallèles. L'intervalle décrit a pour but de supprimer l'accumulation de copeaux entre la molette et son support et d'empêcher les détritus d'user le joint extérieur 48. Comme on le voit également, lorsque la molette tourne, le joint qui est pressé ou soudé par points sur celle-ci, tourne également et lorsquXune partie donnée du joint 48 se rapproche du fond du trou de sonde foré, il se sépare de la branche de support 22b et reste à découvert à l'extérieur du trépan. le dispositif décrit ci-dessus évite que des copeaux ou des détritus ne soient emprisonnés entre le trépan et son support. Un intervalle 59 semblable est ménagé entre l'extrémité intérieure de la molette et la branche de support intérieure 21 pour la même raison. La surface 60 du support 20 de l'élément de coupe, qui peut être en acier coulé etc.., peut être fraisée de manière à être inclinée d'angles divcrs par rapport à l'axe de rotation du trépan et à être montéetar exemple par soudage sur le bas de la tête 10 du trépan, en fonction de la forme voulue pour le fond du trou. Le montage décrit ci-dessus de la molette 11 lui permet de tourner librement lorsqu'elle est en contact avec une formation. La rotation de la tête du trépan imprime un mouvement de rotation à chaque élément de coupe pendant quil tourne sur ltaxo de la broche 44 et lui permet de découper des entailles dans la formation.Les éléments de celle-ci qui sont situés entre les entailles sont brisés en morceaux relativement gros afin de compléter le forage avec le trépan selon la présente invention. Un trépan comportant des éléments de découpe d'entailles selon la présente invention est particulièrement utile pour le forage de trous de grand diamètre. I1 est parti culièrement avantageux, car il évite la découpe de la totalité de la partie de la formation qui doit être enlevée. Comme on le voit, la disposition et ltespacement des nervures sur les éléments de coupe sont tels que la formation ne peut les "bourrer" ni les colmater avec des copeaux, car la largeur de chaque gorge située entre les nervures est relativement grande et peut être comprise entre 12,5 mm et plus de 25 mm. De préférence, la profondeur de la gorge entre les nervures est au moins de 12,5 mm. La largeur des arêtes de la formation non découpées qui restent entre les entailles produites par les éléments de coupe de 11 invention, peut être de ltordre de 19 mm ou plus. les nervures et les éléments de coupe sont disposés et espacés d'une manière telle que le forage exécuté par le trépan de l'invention est amélioré. La molette selon l'invention est considérablement renforcée, de sorte que sa durée de service utile est très prolon-gée. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REaR,liDICATIONS 1 - Molette de coupe, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps comportant au moins une nervure circonférentielle, sensiblement en forme de ciseau, orientée vers l'extérieur et portant plusieurs éléments rapportés durcis et résistant à l'usure, une première extrémité de chaque élément rapporté étant disposée sur la nervure et le corps de manière que les angles inscrits dans le profil en section droite de la nervure et de chaque élément rapporté soient sensiblement les mêmes, la surface appliquée à la formation par la nervure et les éléments rapportés combinés étant sensiblement continue et en forme de ciseau, de manière que lorsque ledit corps tourne, la surface en forme de ciseau découpe au moins une entaille circulaire dans la formation. 2 - Molette suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le corps et la nervure sont en acier, la totalité du corps et de la nervure étant cémentés à ltexception des congés situés entre eux, les éléments rapportés étant en carbure de tungstène. 3 - Molette suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la partie de l'élément rapporté située sur la nervure et sur le corps est circulaire. 4 - Molette comprenant un corps suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que plusieurs nervures circonférentielles, sensiblement en forme de ciseaux, du corps sont orientées vers ltextérieur de ce dernier, le profil des éléments rapportés de chaque nervure inscrivant sensiblement le même angle que celui de ladite nervure, plusieurs surfaces relativement continues, en forme de ciseaux, étant appliquées contre la formation par les nervures et les éléments rapportés combinés , de sorte que lorsque le corps est entraîné en rotation, lesdites surfaces en forme de ciseaux découpent plusieurs entailles dans ladite formation. 5 - molette suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le corps et ladite nervure sont en acier, la totalité du corps et de ladite nervure étant cémentés à l'exception des congés situés entre eux, les éléments rapportés étant en carbure de tungstène. 6 - Molette suivant ltune quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la nervure a une forme telle qu'elle entoure et supporte sensiblement la totalité des éléments rapportés à l'exception de leurs faces de coupe, de façon à réaliser autour du corps une surface de coupe sensiblement continue et en forme de ciseau. 7 - Trépan caractérisé en ce qutil comprend une tête et plusieurs molettes dont au moins l'une est réalisée selon l'une quelconque des revendications précédentes. 8 - Trépan suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs molettes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, lesdites molettes étant placées à des distances inégales par rapport à 11axe longitudinal de la tête.