Brevet FR2375428A1 — publié le 19780721

La présente invention concerne un trépan rotatif et monobloc comprenant des éléments de coupe encastrés dans le corps d'ou tii et qui est destiné au forage de formations tendres ou de duretés moyennes. Un trépan est'un outil muni dtéléments coupants et qui désagrége la roche lorsqu'il est entrainé en rotation. Pendant le forage, la boue de forage descend dans le train de tiges de forage, sort du trépan fixé au bas du train de tiges puis remonte par l'es- pace compris entre les tiges et le trou foré. Les trépans rotatifs de forage sont essentiellement de deux types : d'une part les trépans à molettes mobiles, d'autre part les outils monoblocs diamantés. les trépans à molettes mobiles sont utilisés pour le forage de formations de duretés faibles, moyennes ou élevées. Ces ou'cils ont un coft relativement faible et ils sont largement utilisés. Ils présentent par contre l'inconvénient d'avoir des parties mobiles, nécessitant l'emploi d'organes mécaniques à durées de vie relativement limitées, Les trépans monoblocs c'est à dire dépourvus de parties mobiles peuvent autre classés en deux catégories.Une premiere catégorie regroupe les trépans dans les-quels les éléments coupants sont des diamants en grains encastrés dans une matrice et faisant faiblement saillie de la matrice. Une seconde catégorie regroupe les trépans dans lesquels les éléments coupants font saillie par rapport au corps d'outil. Les outils monoblocs à picots ordinaires ont déjà été envisagés. Mais ces outils ont une trop faible durée de vie et pratiquement seuls les outils à picots diamantés sont utilisés. Les trépans diamantés formés de diamants en grains noyés dans une matrice qui enrobe un corps d'outil en acier sont les plus classiques. La matrice doit résister à l'abrasion et est mise en place par frittage. La boue de forage sort de 11 outil par des buses ou par des orifices. Des canaux sont ménagés à la surface de l'outil pour permettre la circulation forcée de la boue qui a pour fonction d'assurer 11 évacuation des débris de roche et le refroidissement des diamants.Du fait que les diamants sertis dans la matrice émergent faiblement, l'outil ne peut pénétrer profondement dans les roches tendres, ce qui limite leur utilisation au forage de roches de dureté moyennes et de roches dures, Dans ces outils la vitesse linéaire de rotation des éléments de coupe situés dans la partie entrale est plus faible que vers la périphérie et la vitesse de pénétration de l'outil dans la roche se trouve limitée à cet endroit. Divers perfectionnements ont été envisagés pour détruire la roche au centre de l'outil. Divers trépans connus découpent dans la roche une carotte centrale sensiblement cylindrique0 Cette carotte a un diamètre réduit par rapport au front de taille ce qui la rwd fragile. Divers moyens sont utilisés pour casser la carottez DAns çertains trépans des poinçons sont prévus dans l'axe de l'qutil pour casser la ca rotée Dans d'autres trépans la carotte monte dans un conduit coudé qui casse la carotte. D'autres trépans connus découpent dans la roche, une carotte conique qui est plus facile à détruire que le reste du front de taille. Ces trépans diamantés sont des outils dont le prix est élevé. Face à l'outil à molettes ils ne s'imposent que lorsque la durée de vie ou la longueur forée de outil à molettes sont relativement faibles. Parmi les outils à éléments coupants diamantés faisant saillie par rapport au corps d'outil, on peut citer les trépans à picots diamantés. Ces trépans sont formés par un corps en acier dans lequel sont encastrés des picots qui sont formés chacun par un barreau à l'extrémité duquel est brasée une plaquette de diamant synthé- tique polycristallin. Le passage laissé entre l'outil et la roche par la saillie des picots permet 11 écoulement de la boue et ltévacuation des débris. D'autres trépans à éléments coupants diamantés faisant saillie par rapport au corps d'outil comprennent des lames qui, extérieurement, comportent des diamants noyés dans une matrice métallique dure. Les creux laissés entre les lames permettent la circulation de la boue et l'évacuation des débris de roches. La présente invention a pour objet un trépan monobloc rotatif pour terrains tendres et de duretés moyennes, dans lequel les éléments coupants sont en saillie par rapport au corps d'outil et qui attaque la partie centrale du front de taille avec une grande vitesse de pénétration, sans s'encrasser, L'outil selon l'invention ne détruit pas la roche de la même façon sur toute la surface d1at- taque. Le trépan rotatif et monobloc selon l'invention comporte d'une part un corps ayant une forme extérieure sensiblement de révolut ion par rapport à un axe de révolution et qui forme vers le haut un filetage et vers le bas une surface convexe et au travers duquel sont ménagés des conduits de passage de la boue de forage, d'autre part une pluralité de pieots munis chacun à leur extrémité d'une surface de diamant synthétique polycristallin et implantés dans la dite surface convexe, et il est essentiellement caractérisé par le fait que le corps forme au voisinage de l'axe de rotation une surface concave sensiblement conique, qu'il comporte au moins une lame de faible épaisseur qui s'étend radialement à partir de l'axe de révolution jusqu'à la périphérie de la surface concave. et est en saillie par rapport à la dite surface, le profil de cette lame étant tel que l'extrémité centrale soit la plus haute et que l'extrémité périphérique soit la plus basse, cette lame formant une arête dure et coupante continue, s'étendant s'étendant radialement et par le fait qu'il comporte des buses de passage de la boue de forage disposées à côté de la dite lame et à proximité de l'axe de révolution. Selon une caractéristique de l'invention la lame comporte des diamants en grains formant l'arête dure et coupante qui sont sertis en quinconce dans une matrice en alliage dur obtenue par frittage et qui revit le corps de la lame. Selon une autre caraetéristique de l'invention, le trépan comporte une jupe qui prolonge vers le haut la surface convexe et dans laquelle sont implantés des. patins résistants à l'usure-et dans laquelle sont ménagés des évidements de passage de la boue de forage qui sont décalés angulairement par rapport aux plans passant par l'axe de révolution et les axes des buses. L'invention va maintenant autre décrite avec plus de dé- tails en se référant à des modes de réalisation donnés à titre d'ex emplies et représentés sur les dessins annexés. La figure 1 est une vue de dessous d'un premier mode de réalisation du trépan selon l'invention. La figure 2 est une vue de coté du mode de réalisation de la figure 1. La figure 3 est une coupe verticale selon I-I de la figure 1. La figure 4 est une coupe partielle selon III-III de la figure 3. La figure 5 est une coupe verticale d'une variante du trépan illustré sur les figures 1 à 4. La figure 6 est une coupe partielle selon V-V de la figure 5. La figure 7 est une vue de dessous d'un autre mode de réalisation du trépan selon l'invention. La figure 8 est une coupe verticale, selon IV-IV, de la figure 7. La figure 9 est une vue de détail représentant un élément de coupe utilisé sur le trépan conforme à l'invention. Le trépan représenté sur les figures 1 à 8 comprend un corps 1 en acier en une ou plusieurs parties. Ce corps a sensiblement une forme de révolution par rapport à un axe de révolution repéré 2. A la partie supérieure le corps d'outil est muni d'u;n filetage Il permettant de fixer le trépan à un train de tiges. À la partie inférieure le corps forme une surface convexe de révolution 12 qui pendant le travail de l'outil fait face au front de taille. Cette surface est inscrite dans un cylindre immatériel 3 dont le diamètre correspond sensiblement à celui du trou susceptible autre foré par le trépan. Cette surface 12 peut être courbe ou polyédrique. De préférence la surface 12 forme des troncs de cône successifs et d'angles au sommet différents. Dans la partie centrale opposée au filetage, le corps forme une surface concave 14 qui est sensiblement de révolution par rapport à l'ase 2 et qui a sensiblement une forme en cône dont le sommet est situé vers le haut Au centre du corps du trépan est ménage un conduit 15 par lequel passe la boue de forage qui est ensuite éjectée à l'esté- rieur en passant au travers de buses 5 situées près de l'axe de révolution. Le débit de sortie de la boue de forage est augmenté par des buses 6 excentrées par rapport à l'axe de révolution. Les buses 5 débouchent sur la surface 14 de l'outil, les buses 6 débouchant sur la surface 12. Des picots 7 sont implantés dans la surface convexe 12 du corps d'outil. Chacun de ces picots est représenté sur la figure 9. Il comporte un barreau 71 en un alliage dur fritté. Un tel alliage est connu en soi et se compose d'une phase dure telle que le carbure de tungstène liée par un liant métallique tel que le cobalt qui peut Outre remplacé par le nickel ou un métal du groupe du fer, le carbure de tungstène pouvant être remplacé totalement ou en partie par un autre carbure. À une extrémité du barreau 71 est brasée une pastille de coupe. Cette pastille de coupe est formée par un substrat 72 en un alliage dur fritté, connu en soi, tel que décrit précédemment, revêtu par une couche 73 de diamant synthétique polycristallin. La pastille a la forme d'un disque, mais pourrait avoir une autre forme. Les picots 7 sont encastrés ou sont brasés dans des évidements de la surface 12 du corps d'outil, de manière que les pastilles 72-73 soient en saillie par rapport à la surface du corps d'outil. La partie diamantée 73 des pastilles est approximativement orientée perpendiculairement à la direction du vecteur vitesse de manière à produire le maximum de pénétration dans la roche lors de la rotation du trépan. Les axes des barreaux des picots peuvent en effet ne pas couper l'axe de révolution 2 de manière que la couche diamantée 73 fasse un angle avec le vecteur vitesse. Les picots 7 sont répartis régulièrement de manière à attaquer uniformément le front de taille. Ils sont avantageusement disposés le long de courbes ressemblant à des hélico-spirales. Le corps de l'outil forme, au-dessus-de la surface convexe dans laquelle sont implantés les picots, une surface appelée jupe. La jupe est constituée par des surfaces 16 qui sont enveloppées sensiblement par le cylindre 3 qui correspond au diamètre du trou foré et par des évidements 17 disposés entre les surfaces 16o Entre les évidements 17 et le cylindre 3 sont formés des passages 18 qui permettent la remontée de la boue et des déblais et qui facilitent les mouvements de descente et de remontée de l'outil à l'intérieur du nuits. Des patins 8 réalisés en un alliage dur fritté décrit précédemment ou en diamant sont implantés dans des logements des surfaces 16. Ces patins sont enveloppés par le cylindre 3 correspondant au trou de forage. Ces patins ont pour but d'assurer le guidage du trépan dans le trou de forage et le centrage pendant la rotation. Une variante du trépan pourrait ne pas avoir de patins de guidage. Le guidage pourrait être assuré par un outil de guidage indépendant. A la partie inférieure, le trépan est muni d'au moins une lame 9 dotée d'éléments de coupe diamantés et servant à briser la carotte conique qui rentre dans la surface concave 14o La lame s'étend radialement à partir de l'axe de révolution jusqu'à la périphérie de la surface concave 14. La lame forme à sa partie inférieure une ar8te dure et coupante dont l'extrémité centrale est la plus haute et dont l'extrémité périphérique est la plus basse. L'arête dure 91 forme une ligne pratiquement continue s1 étendant radialement et suit sensiblement le profil de la surface concave 14 en étant constamment en saillie par rapport à la dite surface concave. L'épaisseur de cette lame, parallèlement au secteur vitesse , est faible. La lame 9, au centre de l1outil,est plus efficace que des picots du fait qu'il est difficile de loger un nombre suffisant de picots sur la surface concave 14 pour permettre la destruction complète de la carotte. La lame 9 en raison de son étroitesse permet le travail dans des roches tendres, La surface concave 14 peut ne pas comporter de picots semblables aux picots 7 ou bien en comporter un petit nombre. La lame 9 a pour fonction de casser la carotte dans la partie centrale par un effort mécanique, Les buses centrales 5 qui créent un écoulement turbulent de la boue sont situées de part et dtautre de la lame 9 servant à la destruction de la carotte. Par ailleurs les buses centrales sont situées près du centre du trépan.Ces buses ajoutent un effort hydraulique à 11 effort mécanique pour la désintégration des roches. Du fait de la forme inclinée de la lame 9, le sommet de la carotte est situé vers le haut et un au moins des jets de boue agit directement sur la pointe de la carotte, c'est à dire à l'endroit le plus fragile. Les buses sont disposées dans des plans 10 qui passent par l'axe 2 et entre les évidements 17, ce qui a pour effet d'augmenter la longueur du trajet de la boue. Il y a autant de plans de buses que d'évidements extérieurs pour que ltécou- lement de boue soit réparti uniformément.De préférence, chaque plan 10 contient une buse 5 centrale et une buse 6 périphérique, le nombre de buses étant indifférent. À la sortie des buses, la boue circule dans l'espace compris entre les surfaces 12 et 14 et le fond du puits, cet espace étant sensiblement déterminé par la hauteur des picots. Les trépans représentés sur les figures 1 à 6 ne comportent qu'une seule lame centrale 94 Cette lame est engagée dans un logement usiné dans la surface concave du corps et elle est brasée dans ce logement. Des picots 7 peuvent être logés sur la surface concave 14. Les extrémités des picots enveloppent la surface de révolution enveloppant 1'arête 91. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 1 à 4, l'arête 91 est formée par des diamants en grains 92 sertis dans une matrice obtenue par frittage et formant un pan 93 et des pans inclinés 94. Les diamants 92 sont alignés de manière à former au moins deux rangées s'étendant radialement et sont disposés en quinconce. 1a disposition des diamants 92 forme une arête dure et coupante s'étendant radialement en zigzag mais qui est pratiquement continue lorsqu'elle est vue de profil. Le corps de la lame 9 recou vert par la matrice est en acier ou en alliage dur fritté défini précédemment. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 5 et 6,la lame comporte des plaquettes de coupe 95 en diamant polycristallin formant l'arête de coupe 91. Ces plaquettes 95 sont brasées sur le corps 96 de la lame, en alliage dur fritté, Le trépan représenté sur les figures 7 et 8 comporte trois lames radiales 9 semblables aux lames représentées sur les figures 4 et 6. Chacune des lames -e-st disposée à 1200 par rapport aux deux autres. Ces lames sont solidaires d'un noyau 19 formant à sa partie inférieure la surface concave 144 Ce noyau comprend trois buses centrales 5 disposées entre les lames et reliées par trois canaux 191 au conduit central 15 du trépan. Le noyau rapporté 19 est fixé dans le corps d'outil, selon l'axe de révolution, par un moyen de fixation approprié de manière à titre immobilisé verticalement et à ne pas tourner. Il est bien entendu que l'on peut sans sortir du cadre de 1' invention imaginer des variantes et perfectionnements de détails de même qu'envisager l'emploi de moyens équivalents. La lame 9 pourrait ne pas comporter d'éléments diamantés et autre réalisée en carbure dur fritté. REVENDICATIONS 1.- Trépan rotatif et monobloc de forage comportant d'une part un corps ayant une forme extérieure sensiblement de révolution par rapport à un axe de révolution et qui forme vers le haut un filetage et vers le bas une surface convexe et au travers duquel sont ménagés des conduits de passage de la boue de forage, d'autre part une pluralité de picots munis chacun à leur extrémité d'une surface de diamant synthétique polycristallin et implantés dans la dite surface convexe, caractérisé par le fait que le corps forme au voisinage de l'axe de rotation une surface concave sensiblement conique et qu'il comporte au moins une lame de faible épaisseur qui s'étend radialement à partir de l'axe de révolution jusqu'à la périphérie de la surface concave et est en saillie par rapport à la dite surface, le profil de cette lame étant tel que l'extrémité centrale soit la plus haute et que l'extrémité périphérique soit la plus basse, cette lame formant une arête dure et coupante continue, et par le fait qu'il comporte des buses de passage de la boue de forage disposées à côté de la dite lame et à proximité de l'axe de révolution. 2.- Trépan rotatif et monobloc de forage selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la lame comporte des diamants en grains formant l'arête dure et coupante qui sont sertis en quin conce dans une matrice en alliage dur obtenue par frittage et qui revit le corps de la lame. 3.- Trépan rotatif et monobloc de forage selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la lame comporte des plaquettes de diamant polycristallin, 4.- Trépan rotatif et monobloc selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte une jupe qui prolonge vers le haut la surface convexe et dans laquelle sont implantés des patins résistant à l'usure et dans laquelle sont ménagés des évidements de passage de la boue de forage qui sont décalés angulairement par rapport aux plans passant par l'axe de révolution et les axes des buses. 5.- Trépan rotatif et monobloc selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la lame est inserrée dans un logement du corps et qu'elle est brasée dans le dit logement. 6.- Trépan rotatif et monobloc selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il comporte une pièce indépendante du corps sur laquelle sont fixées au moins deux lames et dans laquelle sont disposées les buses de passage du fluide, cette pièce étant fixée dans le corps de l'outil.