Brevet FR2147791A1 — publié le 19730311

Les outils de forage mis en oeuvre pour l'étude géologique, la recherche ou l'exploitation de gisements de produits naturels, liquides ou gazeux, notamment de pétrole, sont formés par une pièce monobloc de révolution comprenant, de part et d'autre d'un fout, des moyens d'assemblage sur un tube de support et d'entranement en rotation et une tête de travail de profil plus ou moins complexe délimitant des plages séparées de coupe et/ou d'abrasion munie de diamants enchâssons. Une telle réalisation a permis de conférer aux outils de meilleures caractéristiques de forage que celles des têtes à organes ou roues dentées tournant sur des axes indépendants portés par une mQme armature de support. Les organes de forage à base de diamants enchâssés présentent toutefois un certain nombre d'inconvénients dont les principaux sont certainement le coût et la durée de fabrication, cette dernière ne pouvant être envisagée que de façon unitaire en fonction des différents paramètres à considérer, lesquels varient pour chaque forage à exécuter. En effet, pour chaque outil de forage, il y a lieu de réaliser une ébauche en creux dans laquelle on ménage des cavités internes destinées à recevoir les différents diamants devant être enchtssés. Cette opération est exécutée de façon manuelle ou mécanique pour obtenir la meilleure précision possible de mise en place et d'orientation des différents diamants. Compte tenu de la nature des moyens taillants ou abrasifs mis en oeuvre, on comprend qu'il est nécessaire d'enchâsser les disiants sur une profondeur légèrement supérieure à leur demi-grosseur, de manière à pouvoir leur faire supporter des charges relativement élevées. En conséquence, les gorges, rai nures ou saignées délimitées entre les différents diamants sont de faible profondeur et limitent, par suite, l'avance par tour et la capacité d'évacuation des boues de refroidissement de la tête et d'évacuation des déblais. Bar ailleurs, les fabricants ne peuvent absolument pas envisager de disposer d'un stock ou d'une réserve d'éléments taillants ou abrasifs préfabriqués et de caractéristiques dif férentes susceptibles d'être combinés et montés rapidement sur des têtes de forage également préfabriquées pour réduire, par exemple, les délais d'attente et de livraison des exploitants ainsi que, bien entendu, le prix de revient d'un outil de forage. La présente invention vise à résoudre le problème ci-dessus en créant un nouvel outil de forage ainsi que son procédé de fabrication. Conformément à l'invention, l'outil de forage comprend une tête de travail délimitant des portées, des plages ou des secteurs actifs garnis d'éléments taillants inclus, placés suivant une disposition relative , fonction du forage et comportant au moins une face de travail présentant un angle d'attaque privilégié par rapport à l'axe de pénétration de l'outil et par rapport au plan transversal perpendiculaire à cet axe et correspondant au lieu géométrique décrit au cours de la rotation par chaque élément taillant considéré. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, à titre d'exemples non limitatifs, aux dessins annexés. La fig. 1 est une élévation latérale de la tête de travail d'un outil de forage conforme à l'invention. La fig. 2 est une vue en plan prise suivant la ligne II-II de la fig. 1. La fig. 3 est une coupe-élévation schématique montrant une phase du procédé de réalisation de l'outil. La fig. 4 est une coupe partielle illustrant, à plus grande échelle, une caractéristique de outil de forage. La fig. 5 est une perspective partielle représentant une autre caractéristique de l'outil. Les fig. 6 à 12 sont des perspectives schématiques partielles montrant différentes variantes de réalisation et d'exécution de certains des éléments constitutifs de l'outil de forage. Suivant les fig. 1 et 2, l'outil de forage conforme à l'invention comprend un fût 1, par exemple cylindrique, prolongé d'un c8té par des moyens 2 d'assemblage avec un tube de support et d'entraSnement en rotation non représenté. Les moyens 2 sont constitués sous la forme d'une queue filetée tronconique, mais il est bien évident que l'on peut envisager de les réaliser sous la forme d'une cavité taraudée. À l'opposé des moyens 2, le fat 1 constitue une tête de travail 3 dont le profil, adapté aux conditions de forage envisagé, délimite des portées ou plages 4 séparées les unes des autres par des canaux 5 ramifiés, rayonnants, hilicoSdaux, etc.Ces canaux 5 prennent naissance dans une dépression centrale 7 dont le fond présente une ouverture 8, dite frontale, communiquant avec un alésage 6 pratiqué dans l'outil pour assurer le passage d'une boue de refroidissement et d'évacuation des déblais. Les portées 4, qui correspondent en quelque sorte aux parties subsistantes de la surface périphérique de la tête 3, sont munies d'éléments taillants 9 préfabriqués, de nature homogène ou hétérogène, fabriqués initialement de manière à pouvoir être inclus dans la matière cnnstitutive de la tête 3 au moment de la réalisation de l'outil. Un procédé de fabrication préférée de l'outil de forage consiste, comme cela est représenté à la fig. 3, à réaliser un moule ou une matrice 10 délimitant une empreinte Il en creux correspondant au profil devant être attribué à la tette 3. On délimite ensuite dans l'empreinte Il des alvéoles de forme com plénentaire aux éléments taillants 9, mais de profondeur inférieure, par exemple, égale à la moitié ou au tiers de la hauteur de ces derniers. On dispose dans les différents alvéoles des éléments taillants 9 puis on remplit au moins partiellement l'empreinte 17 par un métal coulé ou par un aggloméré en poudre pour enrober les parties des éléments taillants 9 saillant audelà des alvéoles. On réalise ensuite, simultanément ou indépendamment, l'ensemble du corps de l'outil dont la forme intérieure peut être conférée par l'intermédiaire d'un poinçon 12. On procède finalement à l'usinage du fût 1 et des moyens de liaison et d'assemblage 2. Selon le procédé de l'objet de l'invention, il est ainsi possible de disposer en stock d'éléments constitutifs préfabriqués, par exemple des éléments taillants 9, et un certain nombre de moules ou de matrices 10 correspondant aux différents profils principaux susceptibles d'être conférés aux têtes de travail d'outils de forage. De la sorte, il est possible de combiner ces divers éléments constitutifs en fonction des demandes et de produire, dans un temps relativement plus court et à moindres frais, un outil de forage correspondant aux désirs de l'utilisateur. En général, les éléments taillants 9 se présentent sous une forme cylindrique à base de métaux durs, de carbures, de diamants ou de tous autres agglomérés abrasifs. Dans certains cas, les éléments taillants 9 peuvent comporter sur leur face de travail un ou plusieurs diamants sertis, une concrétion diamantée incluse ou, également, une pastille d'agglomérés abrasifs de caractéristiques différentes du corps proprement dit de 11 élément taillant. La disposition et la répartition des éléments taillants 9 sur toute la surface utile du profil de la tête 3 dépendent d'un certain nombre de conditions d'utilisation, telles que la vitesse de rotation, la nature d'un terrain à forer, la charge appliquée, la nature et le débit de la boue, etc.On peut de la sorte envisager pour chaque portée, plage ou secteur 4 une disposition en plan en quinconce en spirale, en échelon décalé à droite ou à gauche, en diagonale, en alignement radial, etc. On peut ainsi déterminer avec précision la disposition des différents éléments taillants pour donner un pouvoir de coupe ou d'abrasion et une résistance à la charge en relation avec le travail demandé. La fig. 4 montre que les éléments taillants 9 peuvent présenter différentes positions relatives en fonction des condi tions d'utilisation. En effet, l'élément taillant 9a est inclus dans la tCte 3 pour que la face transversale fasse un angle de dépouille par rapport à un plan fictif P perpendiculaire à la tête, cet angle de dépouille X étant compris dans un seul plan radial passant par l'élément taillant considéré. L'élément taillant 9b montre, par contre, que dans les conditions cidessus la face transversale de travail peut être parallèle au plan P. au contraire, l'élément 9b montre que la face transversale peut être réalisée pour que dans les conditions ci-dessus elle fasse un angle * en contre-dépouille par rapport au plan P. Les éléments taillants 9d et 9e montrent que l'on peut obtenir des résultats identiques non plus en conférant une inclinaison particulière à la face iiransversale e travail, mais au contraire en nclinast de façon eompéLentaire lesdits éléments ta:'?nts pour leur donner une orientation privilégiée par rapport k a face de travail. Dans un tel cas, il y a lieu bien sdr de réaliser de façon complémentaire les alvéoles de maintien dans la matrice 10. La fig. 5 montre que les éléments taillants 9 peuvent présenter également une autre inclinaison relative, par exemple par rapport à une ligne horizontale circonférentielle, décrite par la révolution complète du lieu ou point géométrique correspondant à un élément 9 considéré. L'élément taillant 9f présente une pente neutre par rapport à un sens de rotation suivant la flèche f1, tandis que les éléments taillants 9 et 9h présentent respectivement une pente Wet e positive et négative par rapport au sens de rotation suivant la flèche f1. Les différentes possibilités d'inclinaison relative décrite ci-dessus peuvent, bien entendu, être combinées ensemble pour chaque élément taillant de manière à conférer à la face de travail de ce dernier un angle d'attaque permettant d'obtenir le meilleur rendement de coupe ou d'abrasion. Ces diverses possibilités permettent ainsi, en utilisant toujours des éléments taillants de même forme, de tenir compte des conditions de forage, de la nature du terrain ainsi que de la position relative de chaque élément taillant par rapport au centre de l'outil de forage pour éviter que les éléments taillants extrêmes, marginaux ou périphériques présentent, une usure plus importante due à leur plus grande vitesse linéaire.Les différentes possibilités d'orientation privilégiée de chaque élément taillant permettent ainsi de faire travailler chacun des éléments en fonction de la nature de la roche à forer pour réaliser une pénétration, un raclage, un ratissage ou une abrasion de la roche. En plus des possibilités offertes ci-dessus, il y a lieu de remarquer que l'on peut également réaliser les éléments taillants suivant des formes particulières pour chaque nature de roche ou travail particulier à accomplir ou, encore, pour com- biner différentes formes de taillants sur un même outil de forage. Parmi les nombreuses possibilités présentées, les fig. 8 à 12 illustrent certains exemples préférés qui ne sont toutefois donnés qu'à titre non limitatif. Suivant la fig. 6, les éléments taillants 9 présentent un biseau 13 qui peut être éventuellement orienté vers l'intérieur ou vers l'extérieur. La fig. 7 montre que les éléments 9 présentent deux bi seaux diamétralement opposés ou non, pratiqués sur une étendue axiale égale ou différente. La fig. 8 montre que les éléments taillants 9 peuvent présenter des dimensions relativement importantes par rapport à la tête de travail 3. Suivant la disposition illustrée par la fig. 9, les éléments taillants 9 sont constitués par des épaulements, des redans, des gradins ou des escaliers. Suivant cette variante, les élé- ments 9 peuvent être constitués par des barrettes ou des prismes côte à c8te, disposés suivant une orientation radiale. La fig. 10 montre une variante suivant laquelle les éléments 9 sont constitués d'une façon identique à celle représentée à la fig. 91 en étant toutefois inclinés par rapport à l'axe longitudinal suivant un trajet rectiligne ou hélicoidal. La fig. Il illustre une autre disposition suivant laquelle les éléments taillants 9 sont constitués par des secteurs de couronnes éventuellement chanfreinés et disposés alternativement pour que les faces inclinées s'étendent de façon montante ou descendante par rapport à l'axe longitudinal et à la face frontale. la fig. 12 montre une variante suivant laquelle une disposition analogue à la fig. 11 est mise en oeuvre plus particulièrement au niveau de la dépression centrale 7. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation, représentés et décrits en détail, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICÂTIONS I - Outil de forage caractérisé en ce qu'il comprend une tête de travail délimitant des portées, des plages ai seteurs actifs garnis d'éléments taillants inclus, placés suivant une disposition relative fonction du forage et comportant au moins une face de travail présentant un angle d'attaque privilégié par rapport à l'axe de pénétration de l'outil et par rapport au plan transversal perpendiculaire à cet axe et correspondant au lieu géométrique décrit au cours de la rotation par chaque élément taillant considéré. 2 - Outil suant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments taillants sont constitués sous la forme de solides à base de métaux durs, de carbures de diamants ou de tous autres agglomérés abrasifs. 3 - Outil suivant l'une des revendications I et 2, caractérisé en ce que chaque élément taillant est constitué sous la ferme d'un solide dont l'une des faces est munie d'un diamant, d'une concrétien diamantée ou d'un aggloméré abrasif enchâssé ou serti. 4 - Outil suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque élément taillant comporte au moins une face de travail présentant une pente positive ou négative par rapport à l'axe de pénétration de la teste et une dépouille ou une contre-dépouille par rapport au plan transversal correspondant perpendiculaire à 1' axe de pénétration. 5 - Outil suivant l'une des revendications 1 à 4, carac térisé en ce que les éléments taillants présentent une hauteur telle qu'ils sont inclus dans la tête de travail sur une profondeur supérieure à celle de la partie active faisant saillie audelà du profil de la tête de travail. 6 - Outil suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les éléments taillants sont constitués sous la ferme de solides individuels de même forme rapportés ou inclus de façon indépendante dans la tête de travail. 7 - Outil suivant l'une des revendications 1 à 6, caractarisé en ce que les éléments taillants sont constitués sous la forme de barrettes découpées pour comporter chacune plusieurs saillies s'étendant au-delà du profil de la tête. 8 - Outil suivant l'une des revendications 1 à 7, caracté- risé en ce que tous les éléments taillants de l'outil présentent une même forme et des dimensions identiques. 9 - Outil suivant 1 'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les éléments taillants de l'outil présentent des formes, des dimensions et des orientations variant en fonction de leur position relative par rapport à la tête de travail.