Brevet FR2488323A1 — publié le 19820212

L'invention se rapporte aux ajutages destinés au forage par un jet de fluide et à un procédé de forage par un jet de fluide. Bien que les jets de fluide à grande vitesse aient trouvé un nombre considérable d'applications dans le découpage ou l'entaillage de différents matériaux, l'utilisation de jets de fluide pour le forage de roches ou d'autres substances a reçu relativement peu d'attention. L'un des problèmes inhérents au forage par jet de fluide est que celui-ci perd une grande partie de son aptitude au découpage lorsque l'ajutage qui le forme est à une trop grande distance de la surface entaillée. Donc, pour pouvoir utiliser une technique de forage par jet de fluide, il faut pouvoir forer un trou de diamètre suffisamment grand pour permettre à l'ajutage de forage d'y pénétrer afin que celui-ci puisse être avancé dans le trou au fur et à mesure du forage. Toutefois, les jets de fluide ont un diamètre très petit, en principe de 0,25 mm et donc le jet ne peut effectuer la découpe à un instant donné que sur une surface très faible de la roche. Il faut donc pouvoir disposer d'une technique pouvant être mise en oeuvre pour permettre à un jet de fluide de petit diamètre de percer un trou ayant un diamètre beaucoup plus grand que le jet. L'invention a donc pour objet un ajutage de forage par jet de fluide et un procédé correspondant de forage permettant à un jet simple de fluide de forer un trou de diamètre suffisant pour permettre à l'ajutage de forage d'y pénétrer. L'ajutage est destiné à être raccordé à une source de fluide sous haute pression et de tourner autour d'un axe, et il comprend un corps conformé de manière à renfermer partiellement une cavité qui communique avec la source de fluide sous haute pression lorsque l'ajutage est raccordé à cette dernière. L'ajutage est par ailleurs réalisé de manière à permettre au fluide sous haute pression se trouvant dans la cavité de sortir de cet ajutage sous la forme d'un jet à grande vitesse qui intersecte l'axe de rotation de l'ajutage. L'élément permettant au fluide sous 2 2488323 haute pression de sortir de l'ajutage peut comprendre une pièce formant un passage et démontable du corps. Un ajutage de ce type peut être monté dans toute machine de forage capable de diriger un fluide sous haute pression vers la cavité et de faire tourner ou osciller l'ajutage autour de son axe de rotation. La machine doit aussi être capable de faire avancer l'ajutage au fur et à mesure du forage du trou. Bien que les ajutages selon l'invention puissent comprendre des organes de formation de jet complémentaire afin d'optimiser le forage dans certaines applications, l'ajutage qui va être décrit forme un jet unique et il est parfaitement capable de forer efficacement un trou suffisamment grand pour permettre à l'ajutage d'y pénétrer. L'invention va être décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel: la figure 1 est une vue en perspective d'une machine de forage par un jet de fluide comprenant un ajutage selon l'invention; la figure 2 est une vue partielle en perspective à échelle agrandie des éléments de la machine de la figure 1 qui produisent le forage; la figure 3 est une coupe axiale d'un ajutage conforme à l'invention; la figure 4 représente l'extrémité de l'ajutage selon l'invention placé dans un trou de forage en cours de formation; et la figure 5 est une coupe axiale partielle à échelle agrandie représentant la partie de l'ajutage de la figure 3 qui forme le jet. La figure 1 représente une machine 10 de forage par un jet de fluide destinée à percer des trous pour des boulons se fixant dans le banc du ciel des mines. La présente invention peut être, mise en oeuvre dans une machine de ce type ou dans toute autre machine capable de délivrer un fluide sous haute pression à un ajutage et de faire tourner ce dernier autour d'un axe. La machine de la figure 1 comprend un chariot 12 monté sur roulettes et supportant un moteur électrique 14, un démarreur 16 du moteur, un réservoir 18, une pompe hydraulique 20 et un amplificateur 22 de la pression du fluide. Ces éléments sont représentés schématiquement, car ils sont classiques et ne font pas par eux-mêmes partie de l'invention. Le moteur électrique 14 commande la pompe hydraulique 20 qui délivre un fluide sous pression relative- ment basse (par exemple de 210.105 Pa) à l'amplificateur de pression 22. Celui-ci prélève le fluide tel que de l'eau sur le réservoir 18 et le refoule à haute pression, pouvant être comprise, par exemple, entre 1400. 105 et 4200.105 Pa. Ce fluide sous haute pression est envoyé par un tube représenté partiellement en 23 sur la figure 2 sur une tête d'injection 24 sous haute pression, puis il passe de cette tête par une tige tubulaire rotative 26 dans un ajutage 30. L'ajutage projette le fluide sous haute pression sous forme d'un jet 32 à haute vitesse (par exemple de 360 mètres à la seconde) de manière qui sera décrite plus en détail par la suite. Ces jets sont des flux compacts de fluide qui ont en principe des diamètres pouvant être compris dans une plage allant de 0,05 à 0,75 mm. La machine de forage 10 de la figure 1 comprend également un mécanisme portant la référence générale 34 et destiné au montage de la tige de forage 26 et de l'ajutage 30 de manière que ceux-ci puissent tourner et soient mobiles le long de l'axe de rotation. Ce mécanisme comprend un support rigide 36 monté horizontalement en porte-à-faux sur le chariot 12, des bras 38 et 40 disposés entre le support 36 et un logement 42, un levier coudé 44 monté à l'extrémité du support 36 et articulé à une extrémité sur le bras 38, et un cylindre hydraulique 46 monté entre le support 36 et l'autre extrémité du levier coudé 44. Les bras 38 et 40 sont montés ensemble à leur extrémité inférieure sur le support 36, au voisinage du chariot 12, de manière qu'ils puissent coulisser ensemble à l'extrémité inférieure horizontalement le long du support. L'extrémité supérieure du bras 38 est articulée sur le logement 42, tandis que l'extrémité supé- 4 2488323 rieure du bras 40 est articulée sur une bielle 48 fixée sur l'enveloppe. Le cylindre hydraulique 46 provoque les mouvements d'élévation et d'abaissement de l'enveloppe 42 et fait tourner le levier coudé 44. L'extrémité inférieure des bras 38 et 40 étant libre de coulisser horizontalement, la rotation du levier coudé 44 impose à l'extrémité supérieure de ces bras et à l'enveloppe 42 des mouvements ascendants ou descendants sans déplacement horizontal. Pendant ces mouvements ascendants et descendants, les bras 38 et 40 et la bielle 48 forment un parallélogramme qui maintient l'enveloppe 42 à une orientation fixe par rapport au support 36 et donc par rapport au reste de la machine de forage 10. Comme décrit précédemment, le fluide sous haute pression entre dans la tête d'injection 24 (figure 2) par le tube 23, puis passe de là dans la tige tubulaire 26 de forage et finalement dans l'ajutage 30. La tête d'injection sous haute pression 24 est montée à l'intérieur de l'enveloppe 42 et comprend un élément rotatif 25 auquel la tige de forage 26 est fixée. Un moteur hydraulique 50 également monté dans le logement 42 fait tourner la tige de forage 26. Des conduits 52, 54 raccordent le moteur 50 à une pompe hydraulique auxiliaire (non représentée) montée sur le chariot 12 et commandée par le moteur électrique 14. Le moteur 50 fait tourner un pignon 56 qui, de son côté, fait tourner un pignon 58 monté concentriquement sur la tige de forage 26. Bien que la machine de forage 10 soit équipée pour faire tourner l'ajutage 30 en continu, il doit être bien entendu que la présente invention peut aussi être mise en oeuvre dans une machine de forage qui impose un mouvement de rotation alternatif ou oscillant à l'ajutage. Sur les figures 1 et 2, l'ajutage 30 et la tige de forage 26 sont représentés en position supérieure à l'extension à laquelle ils parviennent normalement à la fin du forage d'un trou particulier. Lorsque l'ajutage est à cette position, il se trouve dans le trou et le trou luimême empêche pratiquement l'ajutage et la tige de forage de subir une flexion ou une oscillation horizontale. Lorsque l'ajutage et la tige de forage sont en position basse, par exemple à la phase initiale de forage d'un trou, la même fonction est assumée par un guide 60 monté sur le support 36. Ce guide 60 s'achève en collier 62 entourant la tige de forage 26 et restreignant les mouvements horizontaux de flexion ou d'oscillation de cette tige, en particulier lorsqu'elle est en position basse. La figure 3 est une coupe axiale de l'ajutage 30 et de l'extrémité correspondante de la tige de forage 26. L'ajutage 30 a une forme extérieure cylindrique et son axe de symétrie longitudinal 70 est aussi celui de la tige tubulaire de forage 26. L'axe 70 est celui autour duquel l'ajutage 30 et la tige de forage 26 sont entraînés en rotation par la machine de forage 10. L'ajutage 30 renferme une cavité cylindrique 72 qui est ouverte à l'extrémité arrière de cet ajutage (à l'extrémité supérieure dans la représentation de la figure 3). La surface de l'extrémité arrière de la cavité 72 comporte un taraudage 74 correspondant à un filetage 76 de la surface extérieure de la tige de forage 26, et ainsi l'ajutage peut être fixé sur la tige de forage de la manière représentée. L'extrémité conique 78 de la tige de forage 26 s'emboîte dans une partie conique complémentaire 80 de la surface de la cavité, ces surfaces coniques formant un joint d'étanchéité qui empêche le fluide sous haute pression passant dans la tige de forage 26 et pénétrant dans la cavité 72 de s'échapper le long des filets 74 et 76. L'extrémité antérieure de l'ajutage 30 (l'extrémité inférieure dans la représentation de la figure 3) comporte un trou cylindrique 82 dans lequel un élément cylindrique 86 de formation d'un jet est monté au moyen d'un taraudage 88 de la surface du trou 82 et d'un filetage 90 de la surface extérieure de cet élément 86. Le trou 82 est dans le prolongement de la cavité 72 et donc l'élément 86 de formation d'un jet est disposé entre la cavité 72 et l'extérieur de l'ajutage. Comme il sera décrit plus en détail par la suite, l'élément 86 de formation du jet reçoit le fluide sous haute pression de la cavité 72, convertit ce 6 2488323 fluide en un jet à grande vitesse et dirige ce jet le long d'une ligne 84 qui coïncide avec l'axe de symétrie longitu- dinal de l'élément de formation du jet. La ligne 84 est inclinée d'environ 300 sur l'axe de rotation 70 et, le facteur plus important encore, coupe l'axe de rotation à la surface extérieure de l'ajutage 30. La raison pour laquelle le jet de fluide est orienté de cette manière va être expliquée en regard de la figure 4 qui représente un trou 91 en cours de forage dans une matière 92 à l'aide de l'ajutage 30 monté sur la tige 26 et projetant un jet de fluide 32. Lors de la rotation de l'ajutage 30 autour de l'axe 70 et de son avance simultanée dans le trou 91, le jet 32 est projeté violemment sur la matière 92 et en enlève des cônes successifs. Toutefois, pour pouvoir faire avancer l'ajutage 30 à un instant donné dans la matière 92, il est nécessaire que toute la matière se trouvant immédiatement au devant de l'ajutage 30 ait été préalablement enlevée par le jet 32. Ce cas se présente lorsque le jet 32 intersecte l'axe de rotation de l'ajutage en un point situé sur ou à l'extérieur de la surface extérieure de cet ajutage. Un unique jet rotatif de fluide orienté de cette manière est capable de forer efficacement des trous d'une dimension suffisante pour permettre à l'ajutage de forage d'y pénétrer. Le point auquel le jet intersecte l'axe de rotation ainsi que l'angle sous lequel il est incliné sur cet axe peuvent être réglés de manière à convenir à différentes matières devant être perforées, le point d'intersection et l'angle représentés sur la figure 4 étant caractéristiques pour le forage d'une roche de dureté moyenne. La figure 5 représente en détail l'élément 86 de formation du jet. La surface extérieure de cet élément comporte un filetage 90 tel que mentionné plus haut ainsi qu'une extrémité conique 94 s'appliquant contre une surface conique complémentaire 96 du trou 82 de manière à former un joint d'étanchéité entre ces surfaces. L'élément 86 comprend intérieurement un passage cylindrique 98 de différents diamètres qui le traverse de part en part, l'axe de symétrie de ce passage coïncidant avec la ligne 84. La partie 7 2488323 extérieure 99 du passage 98 a une forme hexagonale destinée à faciliter le montage de l'élément 86 dans le corps de l'ajutage 30 et son démontage. La surface intérieure de l'élément 86 (la surface supérieure dans la représentation de la figure 3) comporte un évidement cylindrique peu profond qui est concentrique au passage 98. Un rubis 102 comportant un orifice cylindrique central 106 est monté dans la cavité 100 par l'intermédiaire d'un anneau de caoutchouc 104 de manière que l'orifice 106 soit centré sur la ligne 84, son axe de symétrie coïncidant avec cette ligne. Le rubis 102 forme et dirige le jet 32 le long de la ligne 84, et l'orifice 106 a un diamètre correspondant au diamètre voulu du jet. Il va de soi que l'invention n'a été décrite qu'à titre d'exemple et que diverses modifications peuvent lui être apportées sans sortir de son domaine. REVENDICATIONS 1. Ajutage de forage par un jet de fluide, carac- térisé en ce qu'il comprend un corps (30) renfermant une ca- vité (72) et raccordé par un élément de liaison (26)à une sour- ce de fluide sous haute pression de manière à introduire ce fluide dans ladite cavité, un élément (86) de formation d'un jet étant monté dans ledit corps de l'ajutage et communiquant avec-ladite cavité (72) de manière à former un jet unique (32) de fluide sous haute pression de découpage qui constitue ainsi l'unique moyen de forage, et un dispositif d'entraînement en rotation (50, 56, 58) étant destiné à faire tourner ledit élé- ment de formation d'un jet (86) autour d'un axe (70), ledit jet de forage (32) étant orienté de manière à intersecter le- dit axe de rotation (70) en un point situé sur ou à l'extérieur de la surface de l'ajutage (30), l'angle d'inclinaison du jet de forage et la pression du fluide sous haute pression étant réglés pour permettre la découpe et l'enlèvement de cônes suc- cessifs de matière afin de forer un trou dont le diamètre est supérieur au diamètre maximal du corps de l'ajutage (30), lors- que l'élément (86) de formation du jet tourne et le corps de l'ajutage avance, si bien que l'unique jet de fluide fore un trou de diamètre suffisant pour permettre la pénétration de l'ajutage de forage. 2. Ajutage de forage par un jet de fluide selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cavité (72) comprend dans ledit corps (30) une partie tronconique (80) dans laquelle se loge de manière étanche une extrémité corps de l'ajutage. 3. Ajutage de forage par un jet de fluide, caractérisé en ce qu'il comprend un corps (30) renfermant une cavité (72) et raccordé par un élément de liaison (26) à une source de fluide sous haute pression de manière à introduire ce fluide dans ladite cavité, un élément (86) de formation d'un jet- étant monté dans ledit corps de l'ajutage et communiquant avec ladite cavité (72) de manière à former un - jet (32) de fluide sous haiute pression de forage, et.un dispositif d'entraînement en rotation (50, 56, 58) étant destiné à faire tourner ledit élément de formati4"n8c'Y jet (86) autour d'un axe (70), ledit jet de forage (32) étant orienté de manière à intersecter ledit axe de rotation (70) afin qu'il forme une entaille et enlève des cônes de matière afin de forer un trou dont le diamètre est plus grand que ledit corps de l'ajutage (30); un passage étant réalisé dans ledit corps et comprenant une partie tronconique (96) dont l'extrémité de petit diamètre débouche dans ladite cavité (72), ce passage comprenant une partie cylindrique comprise entre l'extrémité de grand diamètre de la partie tronconique et une surface du corps de l'ajutage, ledit élément (86) de formation d'un jet se fixant de manière démontable dans ledit passare (82) , cet élément (86) comprenant une surface extérieure cylindrique correspondant à la partie cylindrique dudit passage et une extrémité tronconique (94) correspondant à la partie tronconique (96) de ce passage afin de former un joint d'étanchéité. 4. Ajutage de forage par un jet de fluide selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit élément (86) de formation d'un jet est traversé de part en part par un trou cylindrique (98) qui communique avec ladite cavité (72), et un rubis (102) monté dans ledit trou cylindrique (98) comporte un orifice (106) de formation dudit jet de forage (32), cet orifice orientant ce jet le long d'une ligne (84) telle que le jet intersecte ledit axe de rotation (70). 5. Ajutage de forage par un jet de fluide selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit trou cylindrique (98) comprend plusieurs gradins cylindriques, ledit rubis (102) étant monté dans l'un (100) de ces gradins et un joint d'étanchéité-en élastomère (104 étant monté entre le rubis et le trou cylindrique correspondant afin d'interdire les fuites de fluide sous haute pression entre ce rubis et ce trou. 6. Ajutage de forage par un jet de fluide selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ledit trou cylindrique (98) comprend une partie (99) conformée de manière à former le logement d'un outil permettant de faire tourner ledit élément (86) de formation d'un jet dans ledit passage (82) afin de permettre d'introduire sélectivement cet élément dans ce passage et de l'en enlever. 1 0 7. Ajutage de forage par un jet de fluide, caractérisé en ce qu'il comprend un corps (30) conformé (en 76) de manière à pouvoir être raccordé à une tige de forage (26), ce corps renfermant une cavité (72) qui comprend une partie cylindrique et une partie tronconique (80) dont l'extrémité de grand diamètre débouche sur ladite cavité (72), la partie extrême de ladite tige de forage (26) pénétrant dans la partie cylindrique de ladite cavité (72) et l'extrémité (78) de cette tige étant appliquée en contact d'étanchéité contre la partie tronconique (80) de cette cavité afin d'empêcher les fuites de fluide sous haute pression autour de la tige de forage, un passage (82) réalisé dans ledit corps de l'ajutage comprenant une partie tronconique (96) dont l'extrémité de petit diamètre débouche dans ladite cavité (72) ainsi qu'une partie cylindrique comprise entre l'extrémité de grand diamètre de la partie tronconique et une surface du corps de l'ajutage, un élément (86) de formation d'un jet de forage (32) se fixant de manière démontable dans ledit passage (82) et comprenant une partie extérieure cylindrique qui correspond à ladite partie cylindrique dudit passage et une extrémité tronconique (94) qui correspond à la -partie tronconique (96) de ce passage de manière à former un joint d'étanchéité, ledit élément de formation d'un jet (86) étant traversé de part en part par un trou cylindrique (98) qui communique avec ladite cavité (72), l'axe (84) de ce trou cylindrique (98) intersectant l'axe de symétrie longitudinal (70) du corps (30) de l'ajutage, un rubis (102) étant monté dans ledit trou cylindrique (98) dudit élément (86) de formation d'un jet, ce rubis comportant un orifice (106) de formation dudit jet de forage (32), cet orifice orientant ce jet le long d'une ligne parallèle à l'axe (84) dudit trou cylindrique (98) de manière que ce jet (32) intersecte l'axe de symétrie longitudinal (70) du corps (30) de l1ajutage en un point situé à l'extérieur de ce corps, et un dispositif d'entraînement en rotation (50, 56, 58) étant destiné à faire tourner ledit jet de forage (32) autour de l'axe de symétrie longitudinal (70) du corps (30) de l'ajutage de manière à entailler et à enlever des cônes de matière afin de forer un trou de diamètre plus grand que celui du corps de l'ajutage. 8. Ajutage de forage par un jet de fluide selon l'une quelconque des revendications 3, 4 et 7, caractérisé en ce que ledit élément (86) de formation d'un jet forme un unique jet de forage (32).