Brevet FR2272255A1 — publié le 19751219

La présente invention est relative à iess perfectionna- ment s aux trépans de forage selon le procédé rotary, munis de mo- lettes coupantes de forme conique tournant sur des axes orientés vers le bas et comportant des buses de passage de la boue de forage de l'intérieur de l'outil vers le fond du puits. Un tel trépan comporte trois molettes coniques munies d'éléments coupants,montées par l'intermédiaire de paliers sur des qui axes orientés vers le bas et/concourentsurl'a e central du trépan. le trépan est muni selon son axe central d'un filetage de raccordement à des tiges oui en tournant font rouler, sous charge, les molettes coupantes sur le fond du puits pour provoquer la désagrégation de la rochez Une boue de forage véhiculée par les tiges qui sont creuses, débouche sur le fond du trou par des buses ménagées dans le trépan. la boue de forage, en sortant à très grande vitesse des buses, a une action d'érosion au point d'attaque de la roche et permet un nettoyage efficace du fond du trou foré. En forage, le rendement de l'outil dépend pour une large part de ltévacuation des déblais, c'est-à-dire du nettoyage du fond du trou et du nettoyage des molettes. On a ainsi noté, lors du forage de certaines formations géologiques, une accumulation importante de déblais sous la voûte de ltoutil, au-dessus des molettes. Une étude sur banc d'essais a montré que l'écoulement de la boue autour de ltoutil est situé dans la zone de transition entre les régimes turbulent et laminaire. La visualisation de l'écoulement a permis, par ailleurs, d'observer un courant dirigé vers la zone centrale de la voûte de l'outil, ce qui confirme les colmatages constatés en forage. On a eu l'idée pour éviter lephénomène de colmatage de la voûte et pour nettoyer les molettes, d'ajouter une buse de passage de la boue de forage disposée coaxialement à un outil muni par ailleurs, classiquement, de trois buses excentrées. les buses utilisées jusqu'à présent, aussi bien dans des positions excentrées que dans une position centrale par rapport à l'axe de l'outil, ont un profil convergent dans le sens de ltécou- liement et laissent passer la boue de forage sous une vitesse importante, On a étudié l'écoulement de la boue par une buse conven tionnelle. Si lton admet que 1' écoulement de la boue par la buse s'effectue dans une masse de boue infinie et au repos, le jet concentré entrant dans la masse au repos communique à la dite masse une certaine quantité de mouvement, ce qui entraSne une diffusion latérale du courant et une décélération du jet alors que la masse est mise en mouvement. En se référant à la figure 1, le jet de boue immergé à la sortie d'une buse repérée 1 comporte deux zones distinctes. Dans une zone centrale de forme conique 2, lavitesse est constante et égale à la vitesse d'écoulement dans la buse, le point extrême de la zone C, marquant la limite au-delà de laquelle la vitesse décroit. Dans une zone périphérique 3, la vitesse est variable et plus faible que dans la zone centrale. La vitesse maximum se situe sur l'axe, la vitesse diminuant du centre vers la périphérie0 Â l'extérieur de la zone 3 la vitesse est nulle. A titre d'exemple, on donnera les caractéristiques d'écoulement dgune boue de forage par une buse convergente ayant un diamètre D1 de 12,7 mm soit 2 pouce, La boue de forage a une viscosité de 30 centipoises, la masse volumique étant 1,3 g/cm30 Pour une vitesse de 100 m/s le débit est 12,65 1/s. la longueur 1 de la zone où la vitesse est constante et égale à 100 m/s est de 78 mm environ. On considèrera maintenant un plan P situé à 95 mm de la sortie de la buse, cette distance correspondant approximativement sur un trépan à la distance entre la buse centrale et les extrémités de la molette La vitesse maximum enregistrée au centre E de la veine, sur le plan P, est de 85 m/s. le rayon EA du jet au niveau du plan P est de 23 mm, ce qui correspond à un angle 4 de diffusion du jet de 200. Ces conditions d'écoulement classique montrent que le courant de boue arrive à très grande vitesse sur les éléments coupants (dents ou picots rapportés) disposés à l'extrémité des molettes. Parmi les trois molettes d'un trépan une des molettes comporte des éléments coupants au sommet du c8ne pour détruire la roche au centre du trou foré. Chacune des deux autres molettes a la première rangée d1 éléments coupants disposée en retrait par rapport au sommet du cône. En se référant à l'étude précédente de l'écoulement de boue par une buse, les éléments d'extrémités de la molette qui détruit le centre du trou seront au voisinage de l'axe central du jet donné par la bus centrale où la vitesse du jet est la plus forte.L'impaet des particules abrasives contenues dans la boue provoque par e'sioai la destruction rapide des dents d'extrémité de cette molette les autres molettestdont les dents d'extrémité sont dans des zones où la vitesse du jet est plus faible, sont en fait moins touchées. On peut encore noter que l'angle de divergence trop faible du jet fait que le jet ne nettoie que les éléments coupants disposés aax extrémités des molettes. le nettoyage procuré par la buse centrale est en fait insuffisant. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précités. Elle fournit un trépan à molettes équipé de buses de passage de boue extérieures et d'une buse coaxiale à l'axe central donnant un jet à vitesse réduite et fortement divergent. La buse centrale donne un jet évitant l'accumulation des débris de forage de l'outil, sans provoquer d'usure des éléments coupants disposés aux extrémités des molettes. La grande dispersion du jet de boue permet le nettoyage des éléments coupants des extrémités des molettes mais aussi le nettoyage des éléments coupants de la deuxième rangée. Par rapport à une buse centrale de forme conventionnelle, la vitesse du jet est diminuée, l'usure des molettes étant diminuée, et la dispersion du jet est augmentée, le nettoyage des molettes étant améliore. Conformément à l'invention, le trépan de forage comporte un corps muni dlun filetage d1assemblage, équipé de tourillons dirigés vers le bas et concourant en un point de l'axe central du corps, des molettes coupantes montées sur les tourillons par l'in +erMédiaire de paliers, des buses de passage d'une boue de forage de l'intérieur du corps vers ltextérieur, les dites buses étant décalées de l'axe central, un passage de boue de forage de l'intérieur du co-rps vers l'extérieur, le dit passage étant ménagé selon l'axe central et il est essentiellement caractérisé par le fait que le passage de boue coaxial à l'axe central comporte > en amont de la section de sortie, une section de passage rétrécie par rapport à la dite section de sortie L'invention va maintenant dtre décrite avec plus de détails en se référant à des modes de réalisation particuliers donnés à titre d'exemples et représentés sur les dessins annexés, La figure 2 représente une vue en coupe d'un trépan selon l'invention, la ligne de coupe I-I étant figurée sur la figure 3. La figure 3 est une vue de dessous de ce trépan. La figure 4 montre un premier mode de réalisation du passage central de boue de forage équipant le tricorne0 La figure 5 montre un second mode de réalisation du passage central pour la boue de forage. la figure 6 montre une variante du mode de réalisation de la figure 40 D'après les figures 2 et 3, le trépan comporte un corps 4 qui est muni à la partie supérieure dgun filetage 41 permettant de l'assembler à des tiges et est prolongé vers la partie inférieure de trois bras 42 supportant trois arbres ou tourillons dont les axes sont dirigés vers le bas et se coupent en un point de l'axe central de l'outil. Les molettes 5, 6, 7 sont montées par l'intermédiaire de paliers sur les tourillons. Une cavité intérieure 43 est ménagée à l'intérieur du corps et communique avec les tubes de forage qui sont creux et véhiculent la boue de forage0 Des buses 8 spnt disposées à la périphérie du corps. Elles forment des passages entre la cavité inté- rieure 43 et l'extérieur qui donnent des jets de boue de forage. Ces buses sont excentrées par rapport à l'axe de l'outil et sont disposées à 1200 l'une de l'autre, de manière que les jets de boue passent entre les molettes. Une buse 9 disposée selon l'axe central de l'outil tra- verse la voûte de ltoutil et crée un passage pour la boue de forage. les buses extérieures 8 ont un profil conventionnel convergent, la section de sortie ayant le plus faible diamètre0 La buse centrale 9,représentée par ailleurs sur la figure 4, a une section de passage rétrécie 91 par rapport à la section de sortie 92 qui,elle,est située plus en aval. De l'orifice d'entrée jusqu'au col 91, la buse comprend une entrée convergente 93e En aval, à partir du col 91, la buse se prolonge par un divergent 94. la vitesse du fluide passe par un maximum au niveau de la section 91 puis décroit jusqu'à la sortie de la buse. La buse 9 à profil divergent est montée d'une manière connue dans le corps de l'outil. La buse est disposée dans une bague 101 soudée au corps0 Elle est immobilisée par une bague filetée 102 visée dans la bague 101, Un joint 104 assure l'étanchéité. A titre d'exemple, on donnera ci-après les caractéristiques d'écoulement dans la boue de forage définie plus haut par une buse conforme à la figure 4 dont le diamètre D1 dru col 91 est de 12,7 mm (+ pouce"), le diamètre D2 de la sortie 92 étant de 19,5 mm. L'angle au sommet du divergent 94 est de 180. La vitesse d'écoulement dans la section de sortie est de 42,4 m/s pour un débit de 12,65 lis. La longueur 1 de la zone 2 dans laquelle la vitesse est constante et égale à 42,4 m/s est de 79 mmo Au nive d'un plan P situé à 95 mm de la sortie de la buse, le rayon du jet KA est de 35 mm. La vitesse au centre E de la veine est de 35 m/s, la vitesse moyenne étant plus faible. La figure 5 montre un autre mode de réalisation du passage divergent selon l'invention. le passage divergent est réalisé par un tube creux 95 et par une buse conventionnelle 1 montée en aval du tube, le diamètre D1 de la section de sortie de la buse 1 étant inférieur au diamètre D2 de la section de sortie du tube0 A la sortie de la buse I,dans le tube 95, le jet devient divergent, comme dans la buse représentée à la figure 4e La vitesse du jet sur les molettes peut être diminuée par augmentation de la distance L entre la section rétrécié 91 et la sortie 92 de la buse, celle-ci étant sensiblement à la meme position par rapport à la volte. la figure 6 montre une buse permettant d'obtenir une vitesse faible sur les molettes, la distancel étant grande0 Il est bien entendu que lton peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer des variantes et perfectionnements de détails de mme qutenvisager l'emploi de moyens équivalents0 REVENDICADIONS lo Trépan de forage comportant un corps muni d'un filetage d'assemblage, équipé de tourillons dirigés vers le bas et concourants en un point de l'axe central du corps, des molettes coupantes montées sur les tourillons par ltinter(i'diaire de paliers, des buses de passage dtune boue de forage de l'intérieur du corps vers ltextérieur, les dites buses étant décalées de l'axe central, un passage de boue de forage de l'intérieur du corps vers l'exté- rieur, le dit passage étant ménagé selon l'axe central caractérisé par le fait que le passage de boue coaxial à l'axe central comporte, en amont de la section de sortie, une section de passage rétrécie par rapport à la dite section de sortie, 20- Trépan de forage selon la revendication 1, caract4- risé par le fait que le passage est formé par un tube creux et une buse convergente coaxiale dont la -section de sortie est inférieure à la section de sortie du tube creux, la buse convergente étant montée en amont du tube creux, 3.- Trépan de forage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les buses excentrées par rapport à l'axe central ont une section de passage décroissante dans le sens du jet, la section minimum étant à la sortie.