Brevet FR2461804A1 — publié le 19810206

- 1 - 2461804 La présente invention concerne les appareils à forer des puits ou analogues dans les roches et a notamment pour objet un outil de forage pour un tel appareil, notamment pour une sondeuse à percussion à progression automatique. Il est plus avantageux d'utiliser la présente invention pour forer des roches fragiles ou faibles, par exemple des sols gelés de grande dureté, des terrains houillers, etc. L'outil de forage proposé peut être utilisé dans le génie minier, les travaux publics, le bâtiment, ainsi que dans le cas o l'on doit forer un puits profond dans des conditions d'exiguité, par exemple dans une mine o il n'est pas toujours possible d'utiliser des outils de forage tubulaires, forets et vis transporteuses, faisant partie d'un équipement de forage encombrant. On connatt bien un outil de forage se présentant sous forme d'un cylindre creux, une extrémité duquel est munie d'une enclume, tandis qu'à son autre extrémité, orientée vers le front d'attaque, est prévue une arête coupante circulaire. Cet outil de forage, que l'on appelle chasse-pointe ou chasse-coin, sert à percer des orifices dans différents éléments de construction. Le principe de fonctionnement de cet outil de forage consiste en ce qui suit. Sous l'action des chocs qui lui sont appliquées par la panne d'un marteau à main ou par le percuteur d'un appareil à percussion, l'outil de forage s'enfonce dans l'élément de construction en formant une carotte ou un témoin dans l'enceinte du cylindre. Lors de l'extraction de l'outil de forage du canal ainsi formé par lui, la carotte est chassée de l'enceinte du cylindre par application de chocs transversaux au cylindre. Cependant, un tel outil de forage s'avère peu efficace dans la pratique lorsqu'il faut forer des puits profonds de 50 m et plus. Cet inconvénient est dû à ce que, pour forer des puits profonds, il faut faire appel à un outil de forage d'une longueur égale à celle du puits à forer. Une telle longueur de l'outil de forage conduit à une augmentation correspondante de sa masse, ce qui, à son tour, diminue sensiblement le facteur de transmission du choc dans le système "outil de forage percuteur", toutes caractéristiques de la sondeuse égales par ailleurs. Cette forte diminution du facteur de transmission du choc dans le système "outil de forage - percuteur" rend l'outil de forage pratiquement inutilisable pour le forage de puits. - 2 - 2 4618 04 En outre, la grande longueur de l'outil de forage nuit à ses caractéris- tiques d'exploitation (transport; montage et démontage; jeux dans les jonctions des tubes, préjudiciables à leur rigidité; incurvation des puits; etc.). On connaît une autre conception d'outil de forage pour appareil à percussion pour le forage de puits en sol gelé. Cet outil de forage est constitué par un corps cylindrique comportant à son extrémité supérieure une enclume, et à son extrémité opposée, orientée vers le front d'attaque, une arête coupante circulaire. Cette arête coupante est formée par des surfaces coniques intersectées. A l'intérieur du corps est ménagée une enceinte cylindrique destinée à recevoir les roches détruites (la carotte) et communiquant avec un orifice de la paroi cylindrique du corps pour l'évacuation de la carotte de ladite enceinte dans l'espace entourant le corps. L'orifice pratiqué dans la paroi du corps par l'évacuation de la carotte de l'enceinte de ce dernier se trouve à une hauteur à peu prés égale à la profondeur prévue des puits à forer et se trouve dans les limites de 4 à 6 m. Pour diriger la carotte de l'enceinte du corps vers l'orifice pratiqué dans la paroi de celui-ci, la partie cylindrique de l'enceinte contient une cloison curviligne qui limite l'enceinte du corps à sa partie supérieure, en formant une enceinte de travail orientée vers le front d'attaque du puits et recevant la carotte. La cloison curviligne est destinée à changer de 900 la direction de progression de la carotte. L'outil de forage en question fonctionne comme suit. Lorsque l'enclume de l'outil de forage subit les coups du percuteur de la sondeuse à percussion, l'arête circulaire coupante de l'outil de forage s'enfonce dans la roche en la détruisant dans la zone de cette arête. Au fur et à mesure que l'outil de forage s'enfonce dans la roche, la carrotte en formation remplit progressivement tout le corps et atteint la cloison curviligne et l'orifice de la paroi du corps. Une fois que la carotte a rempli l'enceinte du corps, on retire l'outil de forage et on le place à l'endroit prévu pour le forage du puits suivant. Lors du forage, de la façon décrite, du puits suivant, les détruites dans le nouveau puits chassent la carotte provenant du premier puits, à la suite du mouvement de translation de l'outil de forage. Lors du forage d'un nouveau puits, toujours à la même profondeur imposée, la carotte du puits précédent sera complètement chassée par la carotte du deuxième puits. - 3 - 2 4 2461804 Une fois le forage terminé, on applique à l'outil de forage des coups dirigés transversalement à celui-ci, et la carotte quitte l'enceinte du corps par gravité. Tous ces outils de forage sont pratiquement inutilisables pour le forage de puits profonds dans les roches faibles et ne peuvent être employés qu'avec un équipement de forage encombrant tel que, par exemple, un marteau-diesel. D'autre part, ils ne peuvent pas être utilisés sur des appareils à percussion à progression automatique, car la carotte qu'elles produisent ne peut passer par l'espace annulaire étroit formé entre le corps de l'appareil à percussion et la paroi du puits. De plus, la carotte sortant de l'enceinte du corps vient buter contre la paroi du puits profond. On s'est donc proposé de mettre au point un outil de forage pour appareil à percussion à progression automatique pour le forage, notamment, de roches faibles, qui serait conçu de façon à assurer la destruction de la roche jusqu'à un taux de fractionnement assurant son passage entre le corps de l'appareil à progression automatique et la paroi du puits en cours de forage. Ce problème est résolu en ce que l'outil de forage destiné a été utilisé, de préférence sur un appareil à percussion pour le forage de puits ou analogues, notamment sur une sondeuse à percussion à progression automatique, du type comprenant un corps dont l'enceinte intérieure débouche à l'extrémité dudit corps quiest oÈiae vers le front d'attaque, la partie du corps destinée à détruire la surface d'attaque étant affûtée et formant une arête circulaire coupante à surface intérieure conique, et ledit corps étant percé de canaux reliant son enceinte à l'espace entourant ledit corps, et servant à l'évacuation de la roche détruite de ladite enceinte, ledit outil étant caractérisé, suivant l'invention, en ce que l'enceinte du corps a une forme conique dont la base est orientée vers le front d'attaque du puits. L'emploi de l'outil de forage, objet de l'invention, sur un appareil à percussion à progression automatique pour le forage de puits permet de rendre moins coûteuses les opérations de forage en comparaison des outils de forage connus décrits plus haut. Il est souhaitable que, dans l'outil de forage proposé, les canaux pratiqués dans le corps et reliant l'enceinte du corps à l'espace entourant celui-ci, et destinés à l'évacuation des roches détruites, soient réalisés de sorte que leurs orifices d'entrée soient orientés vers le front d'attaque du puits. 2 2461804 -4- Une telle réalisation des canaux permet de diminuer la résistance opposée au passage des particules de roches détruites, ce qui permet d'éviter l'engorgement de l'enceinte du corps par la matière détruite. Dans certain cas, lorsque les puits doivent être forés dans des roches présentant certaines caractéristiques déterminées, il est rationnel d'équiper l'outil de forage d'une tige de forage placée axialement dans l'enceinte du corps. L'emploi d'une telle tige de forage dans l'outil permet de fractionner les inclusions de haute dureté contenues dans la roche. L'outil de forage peut êre réalisé de sorte que les surfaces extérieures de l'arête circulaire coupante et de la partie du corps adjacente à celle-ci soient cylindriques. Une telle réalisation de l'outil de forage permet de prévenir son coincement lors de son extraction du puits, et d'élever la résistance de l'argte circulaire coupante. Il est aussi avantageux que sur la surface extérieure du corps, derrière les orifices de sortie des canaux d'évacuation de la roche détruite, soit montée une couronne dentée ou analogue destinée à fractionner additionneIkmEnt ladite roche jusqu'à des particules de dimensions voulues. Pour augmenter la vitesse d'avancement et éviter l'engorgement de l'outil de forage par la matière détruite, il est rationnel de ménager dans le corps des canaux reliés à l'enceinte du corps et destinés au soufflage du front d'attaque. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un-outil de forage conforme à l'invention, monté sur un appareil à percussion à progression automatique pour le forage de puits (vue en coupe longitudinale avec arrachement partiel); - la figure 2 représente l'outil de forage conforme à l'invention (vue en coupe longitudinale avec arrachement partiel); - la figure 3 est une vue suivant la flèche "A" de la figure 2; - la figure 4 illustre la variante de réalisation de l'outil de forage, dans laquelle une tige de forage est montée dans l'enceinte du corps de l'outil; 2 4 6 18 0 4 - la figure 5 représente l'outil de forage conforme à l'invention, dans lequel la surface extérieure de l'arête circulaire coupante et la surface extérieure de la partie du corps adjacente à ladite arête ont une forme cylindrique; - la figure 6 représente un outil de forage sur le corps duquel est prévue une couronne dentée extérieure; - la figure 7 est une vue en coupe suivant VII-VII de la figure 6. Pour une description claire des exemples de réalisation de l'invention représentés sur les dessins annexes, on se servira ici de termes concrets dont la signification est forcément limitée. Cependant il faut prendre en considération que chacun de ces termes englobe tous les éléments équivalents qui fonctionnent d'une manière analogue et qui peuvent être utilisés pour résoudre les mêmes problèmes. L'appareil à percussion est représenté sur la figure 1 comme comportant un corps 1 abritant un percuteur 2 qui, étant animé d'un mouvement alternatif, applique une série de chocs sur la partie avant 3 du corps 1 portant un outil de forage 4. Sur la partie arrière 5 du corps 1 est monté un dispositif 6 déformable radialement et destiné à interdire le déplacement de l'appareil, pendant le forage, dans la direction opposée au front d'attaque. L'outil de forage 4 peut être monté à la partie avant du corps avec la possibilité de se mouvoir axialement; dans ce cas, le percuteur 2 viendra frapper simultanément les faces en bout de l'outil de forage 4 et de la partie avant 3 du corps 1. L'outil de forage représenté sur la figure 2 et désigné sur la figure 1 par le chiffre de référence 4 est pourvu d'un corps 7 dans lequel est ménagée une enceinte 8 débouchant à l'extrémité du corps 7 qui est orientée vers le front d'attaque du puits. La partie 9 du corps 7 destinée à détruire la surface d'attaque est aff tée et forme une argte circulaire coupante 10 (figure 3) à surface intérieure Il conique (figure 2). En outre, dans le corps 7 sont ménagés au moins deux canaux 12 servant à l'évacuation forcée des roches détruites de l'enceinte 8 vers l'espace entourant le corps 7. L'enceinte 8 est exécutée sous forme d'un c8ne à sommet arrondi, dont la base est orientée vers le front d'attaque du puits. La partie supérieure 13 du corps 7 possède une partie conique d'assemblage 14 qui, lors de l'utilisation de l'outil de forage 4, est placée dans la partie avant 3 de l'appareil à percussion à progression automatique (figure 1). 6 2461804 L'outil de forage 4 décrit et l'appareil à percussion à progression automatique fonctionnent de la façon suivante. Sous l'action de l'air comprimé arrivant dans l'appareil, le percuteur 2 (figure 1) effectue un mouvement de va-et-vient dans le corps 1, en appliquant des chocs sur la partie avant 3 du corps 1 ou directement sur l'outil de forage 4 et sur la partie avant 3 du corps 1. Sous l'action des coups portés par le percuteur 2, l'outil de forage 4 s'enfonce dans la roche par son arête circulaire coupante 10. Etant donné que l'arête circulaire coupante 10 a une surface intérieure conique 11, la roche détruite subit une contrainte complexe résultant de déformations par compression et par cisaillement. Lorsque l'arête circulaire coupante s'est enfoncée à une profondeur déterminée, elle cause la rupture de toute la surface attaquée du puits à forer. La roche détruite se présente comme des particules de différentes grosseurs qui sont chassées à force (par exemple par des jets d'air ou des jets de mélange air-eau) de l'enceinte 8 du corps 7, à travers les canaux 12, vers l'espace entourant le corps 7. Ce sont les plus petites particules et les particules dont les dimensions transversales maximales sont égales au diamètre des orifices des canaux 12 qui sont chassées les premières de l'enceinte 8. Au fur et à mesure de l'enfoncement de l'outil de forage 4 dans la roche, les particules plus importantes s'accumulent dans l'enceinte 8 jusqu'à la remplir complètement. Etant donné que pendant le fonctionnement l'outil de forage 4 est animé d'un mouvement de translation dans le puits, les grosses particules, en agissant les unes sur les autres et en subissant l'action de la surface conique de l'enceinte 8, se fractionnent en particules plus petites pouvant passer par les canaux 12. Un processus d'avancement régulier s'établit. Grâce à l'utilisation de l'outil de forage proposé en combinaison avec un appareil de forage de puits tel qu'une sondeuse à percussion à progression automatique, il est maintenant possible de forer des puits profonds dans les roches faibles. Il est surtout efficace d'utiliser l'outil en question pour forer dans des conditions d'exigulté, par exemple dans les mines o on exploite des couches minces de minéraux utiles et o il est parfois impossible d'utiliser des marteaux trépideurs encombrants dotés d'outils de forage lourds et d'encombrement important. 7 22461804 Il est avantageux que les canaux 12 pratiqués dans l'outil de forage 4 aient les orifices d'admission orientés vers le front d'attaque du puits. Une telle réalisation des canaux 12 permet d'accélérer l'évacuation des particules de roche détruite de l'enceinte 8 grâce à la diminution de la résistance au déplacement de ces particules dans la voie "chambre (enceinte) 8 - canaux 12". La figure 4 représente une variante de réalisation de l'outil de forage désigné par le chiffre de référence 4 sur la figure 1 et qui diffère del'autl deibragedes figures 2 et 3 par le fait qu'une tige de forage 17 est montée axialement dans l'enceinte 15 du corps 16. La tige 17 peut être montée soit avec un décalage en avant, soit avec un décalage en arrière par rapport à l'extrémité du corps 16 qui est orientée vers le front d'attaque du puits. La différence dans le fonctionnement de cet outil de forage et de l'outil de forage des figures 2 et 3 consiste en ce que la tige de forage 17 montée avec un décalage en arrière fractionne les grosses particules d'inclusions plus dures que la roche proprement dite. Le montage de la tige de forage 17 avec un décalage en avant permet d'éviter la casse de l'outil de forage 4 quand celui-ci rencontre des inclusions très dures et de dimensions supérieuresau diamètre de l'outil de forage 4. La figure 5 représente une autre variante de la réalisation de l'outil de forage 4, qui diffère de l'outil représenté sur la figure 2 par le fait que la surface extérieure 18 de l'arête circulaire coupante 19 et la surface extérieure 20 de la partie adjacente 21 du corps 22 sont de forme cylindriques et se prolongent jusqu'aux orifices de sortie si l'on regarde du côté de la surface attaquée du puits. Une telle réalisation de l'outil de forage empêche son coincement dans le puits pendant l'extraction de l'appareil (avec l'outil de forage) du puits. En outre, cette réalisation permet d'augmenter considérablement la résistance de l'outil à l'usure et à la diminution du diamètre de travail de l'arête circulaire coupante. L'outil de forage conforme à l'invention peut aussi être réalisé d'autres façons. Par exemple, la figure 6 représente un outil de forage 4 qui diffère des outils déjà décrits en ce qu'une couronne dentée ou analogue 26, de préférence conique, est montée extérieurement sur le corps 22, derrière (par rapport -8- 2 4 6 18 0 4 au front d'attaque du puits) les orifices de sortie 23 des canaux 24 destinés à évacuer la roche détruite de l'enceinte 25. Le fonctionnement de cet outil est dans l'ensemble analogue au fonctionnement des outils déjà décrits. La particularité caractéristique dans le fonctionnement de cet outil muni de la couronne dentée consiste en ce que les grosses particules de roches détruites débouchant des canaux 24 arrivent, pour ainsi dire, dans un "coin circulaire" formé entre la paroi du puits et la couronne dentée conique, o elles sont fractionnées jusqu'aux dimensions requises. L'utilisation d'un tel outil de forage en combinaison avec un appareil à percussion à progression automatique permet d'éviter l'engorgement par la matière détruite de l'espace annulaire entre le corps de l'appareil et la paroi du puits et, par cela même, d'éviter l'arrkt de l'appareil dans le puits. Quelle que soit la variante de l'outil de forage 4 proposé, il est rationnel de ménager dans son corps un canal central 27 et des canaux 28 (figure 6) pour amener l'air ou un mélange air-eau dans la zone du front d'attaque afin de chasser la roche détruite par un soufflage hautement efficace. Il est aussi rationnel que les canaux de soufflage 28 se trouvent entre les canaux 24 destinés à évacuer du front d'attaque la roche détruite. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. - 9 - 2461804 REVENDICATIONS 1. Outil de forage destiné à être utilisé, de préférence sur un appareil à percussion à progression automatique, notamment pour le forage de puits ou analogues, du type comprenant un corps comportant une enceinte intérieure débouchant à l'extrémité dudit corps qui est orientée vers le front d'attaque du puits, la partie dudit corps destinée à détruire la surface d'attaque étant affûtée et formant une arête circulaire coupante à surface intérieure conique, et ledit corps comportant des canaux reliant l'enceinte dudit corps à l'espace entourant celui-ci et destinés à l'évacuation de la roche détruite de l'enceinte dudit corps, caractérisé en ce que ladite enceinte a une forme conique dont la base est orientée vers le front d'attaque du puits. 2. Outil de forage conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices d'entrée des canaux ménagés dans la paroi délimitant l'enceinte conique de l'outil sont orientés vers le front d'attaque du puits. 3. Outil de forage conforme à l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une tige de forage est montée axialement dans l'enceinte du corps de l'outil. 4. Outil de forage conforme à l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que sur la surface extérieure de la paroi de l'enceinte conique, les surfaces de l'arête circulaire coupante et de la partie adjacente à celle-ci du corps de l'outil sont réalisées cylindriques. 5. Outil de forage conformément à l'une des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce qu'une couronne dentée est réalisée sur la surface extérieure du corps de l'outil, derrière (par rapport au front d'attaque du puits) les orifices de sortie des canaux reliant l'enceinte conique à l'espace ambiant. 6. Outil de forage conformément à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que dans le corps de l'outil sont ménagés des canaux auxiliaires communiquant avec l'enceinte conique et destinés à y amener un fluide sous pression.