Brevet FR2492450A1 — publié le 19820423

La présente invention concerne un trépan de forage rotatif pour forages profonds formé d'un corps de raccordement comportant un embout fileté pour assu- rer la jonction avec un train de tiges de forage ou un mécanisme d'entraînement analogue, dont la tête est pourvue d'éléments de coupe qui s'étendent à partir de sa zone de base jusque dans sa zone centrale et sont groupés, saillants, en rangées ou en bandes à titre de couteaux sur la périphérie externe du trépan. De tels trépans de forage rencontrent, lors de forages profonds dans la surface de la terre, des formations rocheuses de diverses duretés et pour partie à déformation plastique et sont par conséquent soumis à des conditions de forage changeantes. Il s'est avéré que des trépans de forage rotatifs connus munis de couteaux qui, vus en plan, présentent des éléments de coupe en diamants frittés circulaires ou en partie circulaires, ne permettent pas d'atteindre une progression optimale du forage dans toutes les con- ditions de forage. Alors que dans des couches sablon- neuses dures, de tels trépans donnent de bons résultats, leurs éléments de coupe ont tendance, dans une roche plastique tendre, à subir un bourrage de leur face d'attaque par accumulation des débris de roche et ensuite} à glisser par-dessus la couche rocheuse sans former de copeaux. Les bords de coupe s'usent alors rapidement de sorte que le trépan est émoussé pour tout forage dans la roche. Pour malgré tout former des co- peaux, il faut exercer sur le trépan par précaution une force d'avancement axiale très importante ce qui augmente fortement l'usure et le moment de rotation nécessaire. D'autre part, il existe un trépan de forage rotatif convenant spécialement pour des formations tendres qui est pourvu d'éléments de coupe cunéiformes s'engageant dans la formation. La géométrie de la coupe, en particulier les faces d'attaque forment 492450 un angle aigu avec la direction de coupe, permettent d'obtenir un effet de charruage qui assure une meil- leure formation de copeaux de la roche déblayée pour une force d'avancement axiale et un moment de rotation plus faibles. La surface active relativement res- treinte des éléments de coupe ne permet cependant qu'un enlèvement de matière peu important de sorte que la progression du forage de tels trépans, comparé à la progression d'un trépan garni d'éléments de coupe circulaires ou en partie circulaires, est sensiblement plus faible. L'invention a pour but de perfection- ner un trépan de forage rotatif du type précité d'une manière telle que l'on puisse augmenter la progression du forage dans le plus grand spectre ponrible de duretés et de plasticités de la formation rocheuse, compte tenu en particulier des roches ten- dres. Ce but est atteint au moyen du trépan de forage conforme à l'invention qui est caractérisé en ce qu'il comporte aussi bien des éléments de coupe qui ne présentent chaque fois qu'une face d'attaque plane, vue en plan, que des éléments de coupe à face d'attaque divisée, vue en plan, les faces partielles formant entre elles un angle de moins de 1800. Les éléments de coupe à face d'attaque plane servent àformer des copeaux et à évacuer la roche lors de l'opération de forage. Dans des formations rocheuses sablonneuses dures, ces éléments de coupe effectuent la majeure partie du travail de coupe. Dans des roches plus tendres se produit une coopération fonctionnelle entre les éléments de coupe à face d'attaque plane et les éléments de coupe à face d'attaque divisée qui, selon une forme d'exécution avantageuse sont décalés en ce qui concerne leurs lignes de coupe. Les éléments de coupe à face d'attaque divisée peuvent, à cause de leur pression superficielle plue élevée, pénétrer dans la formation et y tailler un sillon sans remblais latéraux formés par des copeaux produits. Cet effet apparaît déjà pour des faces d'attaque dont les faces partielles forment un angle légèrement inférieur à 1800. L'efficacité s'améliore à mesure que l'angle entre les faces d'attaque diminue. La perturbation structurelle produite par la pénétration dans la dite formation permet d'éviter un glissement d'un bloc de la couche rocheuse en dessous du tranchant de l'élément de coupe suivant qui est- à même de racler le plan entaillé de la couche rocheuse en formant des copeaux. Pour provoquer la formation de copeaux, la force d'avancement axiale nécessaire est dans ce cas plus faible que celle utilisée pour des trépans garnis exclusivement d'élé- ments de coupe qui ne présentent qu'une face d'atta- que plane. L'usure et le moment de rotation nécessai- res sont ainsi également plus faibles. Un trépan présentant une combinaison des dits éléments de coupe rend possible, en particulier dans des roches tendres, une progression du-forage nettement plus élevée que celle que l'on peut obtenir en utilisant exclusivement un trépan garni d'éléments de coupe de l'une des deux sortes seulement. Pour assister l'opération de coupe et le re- froidissement des éléments de coupe, des ajutages sont disposés devant les groupes d'éléments de coupe et l'orientation de leurs jets de liquide de rinçage est telle que l'efficacité des éléments de coupe respectifs est maintenue. Etant donné que les éléments de coupe à face d'attaque divisée doivent simplement entailler la formation, le copeau de forage délogé comme par un chasse-neige glisse latéralement entre deux éléments de coupe voisins. Cette direction tangentielle est aussi imposée au flux de rinçage du liquide de rinçage débité par les ajutages associés ce qui facilite le glissement longitudinal du copeau au niveau des faces partielles des éléments de coupe à face d'attaque divisée, qui font un angle l'une avec l'autre, et empêche toute obstruction de l'espace prévu entre les éléments de coupe. Les ajutages disposés devant les éléments de coupe à face d'attaque plane soumettent le flux de liquide de rin- çage à une composante radiale de sorte que le copeau qui se déplace le long-des faces d'attaque de ces éléments de coupe est écarté vers l'extérieur et est cisaillé et que les déblais de forage peuvent être évacués. La face d'attaque de cet élément de coupe peut dans ce cas aussi être disposée sous un angle par rapport à la direction de coupe, pour produire un effet de char- ruage orienté vers l'extérieur. Alors que les éléments de coupe à face d'attaque plane sont de préférence faits d'une mince couche de diamant fritté polycristallin et qu'ils sont fixés chaque fois sur un corps de support unifor- mément soutenu, les éléments de coupe à face d'attaque divisée peuvent être constitués par du dia- mant naturel ou du diamant fritté polycristallin divisé par un procédé de clivage. Les éléments de coupe sont dans ce cas incorporés à des supports spéciaux et y sont ancrés de manière sûre. D'autres réalisations de l'invention ressor- tiront clairement des revendications 2 à 25 et de la description d'un exemple de réalisation donné ci- après avec référence aux dessins annexés dans lesquels: la Fig. 1 est une vue en perspective d'un trépan de forage rotatif qui est équipé d'une combi- naison des éléments de coupe mentionnés plus haut; la Fig. 2 est une projection du plan de coupe d'un groupe d'éléments de coupe à face d'attaque divisée et d'un groupe d'éléments de coupe à face d'attaque plane; la Fig. 3 illustre une variante de la forme d'exécution représentée sur la Fig. 2, et les Fig. 4a, 4b, 4c et 5a, 5b, 5c illustrent d'autres possibilités d'agencement des éléments de coupe. La Fig. 1 illustre un trépan de forage rota- tif qui comprend un corps de raccordement 1, un embout fileté 2 pour assurer la jonction à un train de tiges de forage et une tête portant des couteaux 3, 4. Ces couteaux 3 et 4 comprennent des éléments de coupe 5 et 6 saillants disposés en des groupes en forme de bandes et s'étendent sous la forme de surélévations en forme de paroi, radialement à partir de la zone de base du trépan vers son centre. Dans la zone de base, cette surélévation est prolongée sur une courte distance axiale et est pourvue d'une couche de matière dure -7 qui est imprégnée de particules résistant à l'abrasion ou qui en est garnie superficiellement. Des ajutages 8, 9 sont disposés dans chaque creux entre les surélévations devant les éléments de coupe pour guider le flux de liquide de rinçage et communiquent, du côté de leur admission, avec un alésage intérieur. Les ajutages sont en nom- bre inférieur aux éléments de coupe mais le cône de sortie du flux de rinçage est dimensionné de manière que tous les éléments de coupe soient suffisamment alimentés en liquide de rinçage. Les ajutages 8 associés aux éléments de coupe 5 ont une section transversale inférieure à celle des ajutages 9 asso- ciés aux éléments de coupe 6. Les ajutages 8 sont orientés d'une manière telle qu'ils imposent au flux de rinçage une direction tangentielle au trépan de ,forage, vers les éléments de coupe 5. Les ajutages 9, par contre, imposent au flux de rinçage, à cause de leur orientation, une direction radiale vers la zone de base du trépan. Les éléments de coupe 6 sont formés de minces plaquettes de diamant fritté polycristallin et sont fixés sur des corps de support en métal dur. Ces corps sont alors noyés dans. un corps matriciel aggloméré par un liant. Les faces d'attaque des élé- ments de coupe 5 sont perpendiculaires à la direction de coupe. Il est toutefois aussi possible de les dis- poser selon un angle obtu de manière à entretenir par un léger effet de charruage l'évacuation des co- peaux vers la zone de base du trépan. Les éléments de coupe 5 sont faits de diamant naturel (cubes) et sont noyés dans des supports en métal dur qui sont à leur tour placés dans un corps matriciel agglo- méré par un liant. Les éléments de coupe 5 peuvent cependant aussi être formés par des corps en diamant fritté séparés. Dans le sens de coupe, chaque élément de coupe est délimité par deux surfaces disposées en coin qui, lors de l'opération de coupe, servent de face d'attaque et,dans le plan de coupe, il est déli- mité par une surface en pointe qui sert de surface libre. Les trois arêtes formées par l'intersection des dites surfaces, forment des arêtes de coupe ou tranchants. La pointe formée par le point de jonction commun des arêtes de coupe et l'arête de coupe anté- rieure exercent une pression superficielle si élevée sur la formation que les éléments de coupe sont assu- rés de pénétrer dans la couche rocheuse. Deux élé- ments de coupe 5 voisins sont séparés par un espace intermédiaire suffisant pour permettre le passage du copeau d'entaillage. La coopération des éléments de coupe préci- tés sera examinée à présent avec référence à un schéma de coupe projeté dans le plan. Un tel dessin est re- présenté sur la Fig. 2. Le dessin est limité à deux couteaux coopérants comprenant le couteau 3 portant des éléments de coupe à face d'attaque divisée *et le cquteau 4 qui dans ce cas spécial porte des éléments de coupe 6 à face d'attaque plane et à con- tour de tranchant circulaire. Les chiffres de réfé- rence 18 et 19 désignent la plaquette de coupe et le corps de support tandis que les chiffres 16 et 17 désignent l'élément de coupe à face d'attaque di- visée et à configuration prismatique ainsi que son support. Les faces d'attaque de l'élément de coupe prismatique sont indiquées en 12, tandis que la face d'attaque de l'élément de coupe circulaire est indiquée en 13. Les lignes de coupe 10 et 11 qui indiquent le lieu de la pénétration la plus profonde des éléments de coupe dans la formation, montrent que les éléments de coupe sont décalés en quinconce. Le flux de rinçage débité par des ajutages non représen- tés est matérialisé par les flèches 14 et 15. Le flux de rinçage s'écoule tout d'abord dans le sens opposé à la rotation du trépan, par les intervalles sé- parant les éléments de coupe 6 prismatiques,puis chan- ge de direction et s'écoule vers l'extérieur le long des éléments de coupe 5 de forme circulaire. Le co- peau raclé est représenté schématiquement le long du trajet décrit par les éléments de coupe. Alors que la formation est simplement défoncée par les élé- ments de coupe prismatiques, le raclage proprement dit est assuré par les éléments de coupe circulaires. Dans ce cas, il est évident que les éléments de coupe se complètent dans l'opération de coupe et que le rinçage contribue à faire passer les déblais de forage raclés le long des faces d'attaque des élé- ments de coupe et à les évacuer vers l'extérieur. A titre de variante de la forme d'exécution représentée sur la Fig. 2, la Fig. 3 illustre des éléments de coupe 6 à face d'attaque 13 plane, dis- posés sous un angle, et des éléments de coupe 5 à face d'attaque 12 divisée dont les faces partielles forment des angles légèrement inférieurs à 1800. Une valeur comprise entre 0 et 40 s'est avérée avanta- geuse pour l'angle de montage des éléments de coupe 6. Une coopération entre les deux genres d'éléments de coupe est également obtenue avec d'au- tres agencements que ceux représentés sur les Fig.l à 3. Bien entendu, le guidage décrit du liquide de rinçage par sélection et orientation d'ajutages adéquats ne peut plus être utilisé sans plus. Les Fig. 4a, 4b et 4c illustrent un montage combiné des différents éléments de coupe 5, 6 sur un couteau 20, 21. Dans le montage des éléments de coupe re- présenté sur les Fig. 4a-et 4c, la formation est entaillée par les éléments de coupe 5 à face d'atta- que 12 divisée et est raclée par les éléments de coupe 6 à face d'attaque 13 plane montés sur le cou- teau 20 qui suit dans le sens de rotation. Dans la version représentée sur la Fig.4b, l'entaillage et le raclage de la formation sont ef- - fectués par le même couteau car ce couteau comprend les deux genres d'éléments de coupe disposés d'une manière correspondant à la séquence de travail à savoir les éléments de coupe 6 derrière les éléments de coupe 5. Les Fig. 5a, 5b et 5c illustrent des monta- ges qui sont formés d'une combinaison des couteaux 20 ou 21, comme le montrent les Fig. 4a, 4b et 4c, avec les couteaux 3 et 4 de la Fig.2. La coordination des éléments de coupe 5 à face d'attaque 12 divisée et 6 à face d'attaque 13 plane est dans ce cas possi- ble lorsque les éléments de coupe sont disposés soit ensemble, soit séparément sur les couteaux. La Fig. 6 illustre une coupe d'allure radiale dans la formation forée et montre les faces d'attaque des éléments de coupe, les éléments de coupe 5 à face d'attaque 12 divisée étant disposés devant les éléments de coupe 6 à face d'attaque 13 plane. La distance entre les éléments de coupe 5,6 coopérants peut être choisie si grande que les domaines de coupe soient adjacents l'un,à l'autre et que le copeaud'en- taillage s'étende dans la zone de coupe de l'élément de coupe suivant. Une efficacité de coupe certaine est cependant atteinte lorsque les zones de coupe se che- vauchent partiellement. La profondeur de coupe des éléments de coupe à face d'attaque 12 divisée peut également être choisie différente de la profondeur de coupe des élé- ments de coupe 6 à face d'attaque 13 plane, pour opti- miser la progression du forage du trépan pour une plasticité déterminée de la formation. Les positions a, b et c sur la Fig. 6 illustrent diverses profon- deurs de coupe. La Fig. 7 illustre une coupe longitudinale essentiellement tangentielle d'un trépan de forage rotatif travaillant dans la formation. Le plan de coupe illustré suit la ligne en traits de chaînette représentéesur la Fig. 2. L'agencement des couteaux, des éléments de coupe et des ajutages déjà décrits avec référence à la description des Fig. 1 et 2 sera ici encore une fois précisé. De plus la coordination des éléments de coupe, mentionnés dans la Fig. 2, est visible selon une perspective latérale à la direction de coupe. La Fig. 8 illustre la corrélation des ex- pressions suivantes utilisées dans le présent mémoire: "face d'attaque plane" 13 et "face d'attaque divisée" 12 et montre l'angle formé entre les faces partielles de la face d'attaque divisée 12 qui doit être infé- rieur à 1800. 1 C? R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Trépan de forage rotatif pour forages profonds, formé d'un corps de raccordement comportant un embout fileté pour assurer la jonction avec un train de tiges de forage ou un mécanisme d'entraîne- ment analogue, dont la tête est pourvue d'éléments de coupe qui s'étendent à partir de sa zone de base jusque dans sa zone centrale et sont groupés, saillants, en rangées ou en bandes à titre de couteaux sur la péri- phérie externe du trépan, caractérisé en ce qu'il com- porte aussi bien des éléments de coupe (6) qui ne pré- sentent chaque fois qu'une face d'attaque (13) plane, vue en plan, que des éléments de coupe (5) à face d'attaque (12) divisée, vue en plan, les faces partiel- les formant entre elles un angle de moins de 180 (Fig.8). 2 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chaque couteau (20,21) comportant des éléments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane, vue en plan, et des éléments de coupe (5) à face d'attaque (12) divisée, vue en plan, les faces partielles formant entre elles un angle de moins de 180 (Fig. 4a, b,c). 3 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 2, caractérisé en ce nue sur chaque couteau (20,21) sont disposés en alternance des élé- ments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane, vue en plan, et des éléments de coupe (5) à face d'at- taque t12) divisée, vue en plan, qui son étagés ra- dialement depuis la zone de base vers la zone centrale. 4 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les deux types- d'éléments de coupe (5,6) sont disposés côte à côte (Fig. 4a). 5 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments de coupe (5) à face d'attaque divisée (12 sont il décalés angulairement par rapport aux éléments de coupe (6) à face d'attaque plane (13). 6 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 3 ou 5, caractérisé en ce que les élé- ments de coupe (5) à face d'attaque divisée (12) sont disposés, dans le sens de la rotation du trépan, devant les éléments de coupe (6) à face d'attaque plane (13) (Fig. 4b). 7 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 3 ou 5, caractérisé en ce que les élé- ments de coupe (5) à face d'attaque divisée (12) sont disposés, dans le sens de la rotation du trépan, derrière les éléments de coupe (6) à face d'attaque plane (13) (Fig. 4c). 8 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 4 ou 6, caractérisé en ce que les élé- ments de coupe sont décalés radialement, quant à leurs lignesde coupe, par rapport à des éléments de coupe semblables situés sur des couteaux voisins (Fig. 4a et 4b). 9 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les éléments de coupe sont disposés radialement en ligne, quant à leurs lignes de coupe, avec des éléments de coupe similaires situés sur des couteaux voisins (Fig.4c). - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'en alternance, un couteau (4) comporte des éléments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane, vue en plan, et un couteau voisin (3) comporte des éléments de coupe (5) à face d'at- taque (12)divisée, vue en plan, les faces partielles formant entre elles un angle de moins de 180 (Fig. 1, 2,3). 11 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que des éléments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane, vue en plan, sont décalés, quant aux lignes de coupe (11) qu'elles dé- crivent, par rapport aux lignes de coupe (10) des élé- -ments de coupe (5) à face d'attaque (12) divisée, vue en plan. 12 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des couteaux (4) pourvus d'éléments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane, vue en plan, des couteaux (3) pourvus d'éléments de coupe (5) à face d'attaque divisée, vue en plan, et des couteaux (20,21) pourvus d'éléments de coupe (5,6) des deux types (Fig.5a,5b,5c). 13 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les éléments de coupe (5) à face d'attaque (12) divisée sont disposés sur le couteau commun (20,21) devant ou derrière les éléments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane, dans le sens de rotation du trépan, et les couteaux (3,4) qui ne comprennent que des éléments de coupe (5,6) à face d'attaque(12)divisée ou à face d'attaque (13) plane présentent la même succes- sion en ce qui concerne la disposition des éléments de coupe (5,6) dans le sens de la rotation (Fig. 5b, 5c). 14 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 12, caractérisé en ce que les éléments de coupe (5,6) à face d'attaque (12) divisée et à face d'attaque (13) plane sont disposés côte à côte sur le couteau commun (20 ou 21) et les couteaux (3;4) qui ne portent que des éléments de coupe à face d'at- taque (13) plane ou à face d'attaque (14) divisée, sont disposés selon une succession qui peut être choi- sie. mais qui est homogène, derrière le couteau commun (20 ou 21) (Fig. 5a). - Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 10 ou 12,13, carac- térisé en ce que des éléments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane, vue en plan, sont adjacents, par leur zone de coupe,à la zone de coupe d'éléments de coupe (5) à face d'attaque (12) divisée, vue en plan, qui les précèdent dans le sens de la rotation et qui sont voisins dans le sens radial ou s'étendent dans celle- ci. 16 - Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les éléments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane, vue en plan, présentent des bords de coupe à contour ellipsoïdal ou en partie ellipsoïdal. 17 - Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les éléments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane, vue en plan, présentent des bords de coupe à contour circulaire ou en partie circulaire. 18 - Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15,caractérisé en ce que les éléments de coupe (5) à face d'attaque (12) divisêe, vue en plan,présentent des faces partielles (12) formant entre elles des angles aigus dans le sens de la coupe. 19 - Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que les éléments de coupe (5) à face d'attaque (12) divisée, vue en plan, présentent un contour prismatique. - Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que les éléments de coupe (5) à face d'attaque (12) divisée, vue en plan, sont calibrés pour une profondeur de coupe supérieure à celle des éléments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane, vue en plan (Fig. 6c). 21 - Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que les éléments de-coupe (5) à face d'attaque (12) divisée, vue en plan,sont calibrés pour des formations rocheuses très plastiques ou moyennement dures et pour une profondeur de coupe inférieure à celle des éléments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane, vue en plan (Fig. 6a). 22 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 17, caractérisé en ce que les éléments de coupe (6) sont faits d'une couche diamantée frittée polycristalline (18) qui est fixée sur des corps de support (19). 23 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 18 ou 19, caractérisé en ce que les éléments de coupe (5) sont formés de diamants naturels (16) ou de secteurs prismatiques d'un corps fritté polycristallin et les corps frittés ou les diamants sontpour leur partmontés dans des corps de support *(17). 24 - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que des ajutages (8,9) pour le liquide de rinçage sont prévus devant les couteaux (3,4), dans le sens de rotation du trépan et communiquent avec un alésage central à l'in- térieur du trépan, les orifices de sortie des aju- tages (8) associés aux éléments de coupe (5) à face d'attaque (12) divisée, vue en plan, étant orientés et prévus d'une manière telle qu'une composante direc- tionnelle (14) essentiellement tangentielle soit im- posée aux jets de rinçage dans le sens contraire à celui de la rotation du trépan et les orifices de sortie des ajutages (9) associés aux éléments de coupe (6) à face d'attaque (13) plane en plan étant orientés et prévus de manière qu'une composante essentiellement radiale dirigée vers l'extérieur (15) soit imposée aux jets de liquide de rinçage (Fig. 1,2,3). - Trépan de forage rotatif suivant la revendication 24, caractérisé en ce que la section transversale des ajutages (8) associés aux éléments de coupe à face d'attaque (12)divisée, vue en plan, est plus petite que celle des ajutages (9) associés aux éléments de coupe à face d'attaque (13) plane, vue en plan (Fig.l).