Brevet FR2492451A1 — publié le 19820423

La présente invention concerne un trépan de forage rotatif, en particulier pour forages pro- fonds, formé d'un corps de base présentant une zone de calibrage et une surface de coupe, qui est définie par des éléments de coupe saillants montés à sa péri- phérie extérieure sur des éléments de support et qui présente des canaux à ajutage pouvant être traver- sés par du liquide de rinçage. Dans des trépans de forage rotatifs connus de ce type dont les éléments de coupe sont formés de plaquettes de métal dur recouvertes d'une matière diamantée polycristalline, les canaux à ajutage dé- bitant le liquide de rinçage refroidissant les élé- ments de coupe et entraînant les déblais de forage sont disposés, en règle générale, perpendiculaire- ment à la formation, parallèlement à l'axe du trépan de forage ou dans des positions intermédiaires. Le refroidissement des éléments de coupe et le nettoyage du trou de forage des déblais dans la zone de coupe du trépan qui peuvent être réalisés au moyen de tels systèmes sont alors fréquemment insuffisants, en particulier dans des travaux de forage de grande puissance, car l'état d'écoulement tourbillonnant du liquide de rinçage qui s'établit n'assure un re- froidissement des éléments de coupe que dans le flux secondaire avec pour résultat que des accumulations de dé- blais se forment devant les éléments de coupe et que la friction de glissement des déchets de formation arrachés par raclage sur la surface de coupe des éléments de coupe augmente. Ceci aboutit à une usu- re accrue du tranchant de l'élément de coupe par suite d'échauffements locaux de la matière diamantée résultant en particulier d'une énergie de friction accrue entre la formation et l'élément de coupe. L'invention a essentiellement pour but de procurer un trépan de forage rotatif du type mention- né plus haut qui, dans l'intérêt d'une longévité accrue de ses éléments de coupe, présente une effi- cacité de rinçage améliorée. Ce but est atteint, conformément à l'inven- tion, par une réalisation du trépan de forage rota- tif caractérisée en ce qu'au moins certains canaux à ajutage présentent une zone de sortie orientée vers les éléments de coupe conférant simultanément aux jets de liquide de rinçage sortant de ces canaux une orientation présentant au moins une composante di- rigée dans le sens des déblais de forage qui s'écou- lent le long de la surface extérieure du corps de base. Dans cette réalisation, les jets de liquide de rinçage sortant des canaux à ajutage sont direc- tement amenés sur les éléments de coupe de sorte que ceux-ci sont refroidis, en évitant la formation de tourbillons dans le liquide de rinçage, par un flux primaire du liquide de rinçage non soumis à une charge thermique, étant entendu qu'en outre la com- posante des jets de liquide de rinçage dirigée dans le sens de l'écoulement des déblais de forage permet une évacuation rapide des déblais selon un trajet direct et sans accumulation devant les éléments de coupe. On évite ainsi une augmentation de la fric- tion de glissement des déchets de formation arrachés par raclage sur la surface de coupe, par leur rinçage en retour et les déchets sont déviés et cisaillés en direction du trajet d'évacuation des déblais de forage. On obtient de cette façon un re- froidissement et un nettoyage par rinçage intensifs des éléments de coupe à l'aide du liquide de rinçage, de sorte que des échauffements locaux des éléments de coupe sont évités et que leur longévité est con- sidérablement accrue. D'autres réalisations du trépan de forage rotatif conforme à l'invention ressortent tout d'a- bord des revendications 2 à 4. Au moyen des autres réalisations de l'invention conformes aux revendica- tions 5 et 6, on peut renforcer le courant de liqui- de de rinçage qui ralentit, en fonction de la géomé- trie du trépan de forage rotatif, vers sa zone de calibrage, par les canaux à ajutage extérieurs ou supérieurs qui sont orientés de plus en plus tangen- tiellement vers là zone de calibrage du trépan de fo- rage rotatif, tandis que par le diamètre de sortie des canaux à ajutage qui va de manière correspondante en augmentant vers la zone de calibrage du trépan de forage rotatif, selon la revendication 7, la quan- tité de liquide de rinçage qui augmente vers l'exté- rieur peut être préparée dans des espaces intermé- diaires qui s'élargissent en coin entre les éléments de coupe. En outre, par une réalisation du trépan de forage rotatif de l'invention conformément à la revendication 9, on peut adapter le rinçage du tré- pan de forage rotatif à la capacité de refoulement des pompes de rinçage et à la vitesse d'écoulement des jets de liquide de rinçage sortant exigée chaque fois par les conditions de forage rencontrées, en ayant recours à des corps d'ajutages présentant des canaux à ajutage de formes et de dimensions différen- tes et correspondantes. D'autres particularités et avantages sup- plémentaires de l'invention ressortiront clairement des autres revendications,ainsi que de la descrip- tion de plusieurs exemples de réalisation de l'in- vention, donnés ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe longitudi- nale d'un élément de coupe rapporté dans un corps de base d'un trépan de forage rotatif, ainsi que du canal à ajutage associé et des zones adjacentes du corps de base et de la formation; la Fig. 2 est une vue-en bout d'une rangée d'éléments de coupe avec un canal à ajutage associe du corps de base représenté fragmentairement en cou- pe longitudinale; la Fig. 3 est une vue enplan de l'agence- ment représenté sur la Fig. 2; la Fig. 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la Fig. 3; la Fig. 5 est une vue correspondant à la Fig. 2, qui illustre un autre exemple de réalisa- tion; la Fig. 6 est une vue en plan de l'agence- ment représenté sur la Fig.- 5; la Fig. 7 est une vue en coupe suivant la ligne VII-VII de la Fig. 6; la Fig. 8 est une vue en perspective d'une aile de support avec un groupe d'éléments de coupe et des canaux à ajutage associés; la Fig. 9 est une vue en coupe transversa- le de l'aile de support représentée sur la Fig. 8; la Fig. 10 est une vue en coupe transver- sale correspondant à la Fig. 9, destinée à illus- trer un autre exemple de réalisation; la Fig. 11 est une demi-coupe axiale de la zone de travail d'un trépan de forage rotatif, illus- trant des canaux à ajutage orientés différemment, et la Fig. 12 illustre une autre forme d'exé- cution d'un trépan de forage rotatif à nouveau selon une demi-coupe axiale de sa zone de travail. La Fig. 1 illustre un corps de base 1, qui est fait d'une manière bien connue d'un acier adé- quat pourvu localement d'un recouvrement en matière dure 2 qui y est appliqué sous la forme d'une matri- ce, dans lequel sont fixés par frittage plusieurs éléments de support 3 pour des éléments de coupe 4. Leséléments de coupe 4, qui sont formés en particu- lier de plaquettes de métal dur de forme circulaire recouvertes d'une matière diamantée polycristalline, sont reliés à l'élément de support 3 qui leur est associé, par exemple, par soudage, collage ou serrage. Le revê- tement en matière dure 2 du corps de base 1 contient, en outre, un ajutage 5 qui y est incorporé par frit- tage et dont le canal 6 présente une zone de sortie coudée orientée vers l'élément de coupe 4, tandis que la zone du canal à ajutage 6 se trouvant à l'in- térieur de la couche de matière dure 2 prolonge en ligne droite un canal de liquide de rinçage 7 qui communique avec l'alésage central habituel du trépan destiné au liquide de rinçage. En 8 est indiquée la formation de terre ou ro- cheuse dans laquelle le trépan travaille, l'élément de coupe 4 détachant des copeaux 9 de la formation 8. Le canal d'ajutage 6 débite dans ce cas, pendant l'opération de forage, un jet de liquide de rinçage qui est orienté directement sur la surface dirigée vers les copeaux de l'élément de coupe 4 et présente, en outre, une composante de mouvement dans le sens des dé- blais de forage s'écoulant de la manière habituelle le long de la surface externe du corps de base 1. Cette forme de réalisation garantit à la fois un refroidissement intensif de l'élément de coupe 4 et une évacuation rapide des déblais de forage. Dans la forme de réalisation représentée sur les Fig. 2 à 4, dans lesquelles, comme aussi dans les suivantes, les mêmes chiffres de référence ont été utilisés pour désigner les mêmes parties ou des parties correspondantes, la zone de sortie du ca- nal à ajutage 6 de l'ajutage 5 est coudée par rap- port à l'axe du canal-à liquide de rinçage 7 et est orientée par rapport aux éléments de coupe 4 d'une manière telle que le jet de liquide de rinçage 10' soit tangentiel aux éléments de coupe 4 de telle façon que son plan central imaginaire soit dirigé parallèlement et à courte distance de la face de coupe des éléments de coupe 4 associés à l'ajutage , comme le montre en particulier la Fig. 3. De plus, le jet de liquide de rinçage lO'est orienté tangentiellement à la formation présente en direc- tion de la zone de calibrage du trépan de forage ro- tatif, c'est-à-dire en direction du flux de déblais, comme le montre en particulier la Fig. 2. Dans cet exemple de réalisation également, on obtient un re- froidissement intensif des éléments de coupe 4 par le jet de liquide de rinçage 10' attaquant leur surface de coupe,ainsi qu'une évacuation rapide des déblais en raison de la direction du jet de liquide de rinçage 10' qui correspond à la direction d'é- coulement prédominante du flux de liquide de rinça- ge qui descend. Dans l'exemple de réalisation suivant re- présenté sur les Fig. 5 à 7, l'ajutage 5 est agencé et la zone de sortie de son canal 6 est orientée d'une manière telle que le jet de liquide de rinçage " recoupe par son axe central imaginaire, la surface de coupe ou dirigée vers les copeaux des éléments de coupe 4 associés sous un angle aigu o -. Une telle attaque directe des éléments de coupe 4 en question par le jet de liquide de rinçage 10" arrivant permet d'ob- tenir un refroidissement et un entraînement des dé- blais de forage particulièrement intensifs. Dans l'exemple de réalisation représenté sur les Fig. 8 à 10, des ailes de support 12 sont prévues et sont destinées à être réunies à un corps de base de trépan 11 en un acier adéquat, ces ai- les comportant, au moins dans la zone de leur face supérieure, un revêtement en matière dure dans le- quel les éléments de coupe 4, avec leurs éléments de support 3, sont incorporés par frittage de ma- nière à former un groupe. Dans l'aile de support 12 sont, dans ce cas, ménagés, à des distances corres- pondantes et selon une conformation et une orienta- tion adéquates, des canaux à ajutage 13 présentant des zones de sortie coudées vers les éléments de cou- pe et dans le sens de l'évacuation des déblais de forage, ces canaux étant en communication avec des canaux à liquide de rinçage 14 du corps de base 11. Dans la forme d'exécution représentée sur la Fig. 9, les canaux à ajutage 13 débouchent dans les rainu- res à boue de forage, tandis que dans l'exemple re- présenté sur la Fig. 10, ils dcAbouchent devant les rainures à boue de forage. Les ailes de support 12 préfabriquées peuvent être unies au corps de base 11, qui peut être fait d'un acier normal, par brasa- ge au four, mais comme le montre la Fig. 10, il est également possible d'utiliser une jonction soudée 15 avec le corps de base 11, pour autant que l'aile de support 12 qui, pour le reste, est une matrice en matière dure, soit pourvue de bandes d'acier 16 dans la zone de la jonction. Dans la forme d'exécution représentée sur la Fig. 11, il est particulièrement évident que les canaux à ajutage 6 des ajutages extérieurs, supé- rieurs 5 fixés dans le corps de base 1 du trépan de forage rotatif présentent des zones de sortie coudées ou déviées à partir de l'axe de prolongement des ca- naux de liquide de rinçage 7 vers la zone de calibra- ge du trépan de forage rotatif ou en direction des déblais de forage qui s'écoulent le long de la surfa- ce du corps de base 1. L'alésage central pour le li- quide de rinçage,avec lequel communiquent les canaux à liquide de rinçage 7,est indiqué en 17 sur la Fig. 11. La formation est indiquée en 18 sur la Fig. 11. La formation 18, le corps de base 1 et les éléments de coupe 4 insérés dans ce corps de base par leurs éléments de support 3 forment un canal d'écoulement 19 dans lequel les déblais de forage doivent être transportés,à partir de la-zone centra- le du trépan de forage rotatif,radialement vers l'ex- térieur et simultanément vers le haut. L'évacuation des déblais de forage est favorisée par le fait que les jets de liquide de rinçage sortant des canaux à ajutage 6 sont orientés dans le sens de l'écoulement du canal d'écoulement 19 ou tangentiellement à la formation 22. De plus, dans cet exemple aussi, comme expliqué plus haut avec référence aux Fig. 1 à 7, un alignement des jets de liquide de rinçage sur les éléments de coupe 4 est prévu. Pour le refroidisse- ment intensif recherché des éléments de coupe 4, la largeur conique des jets d'agent de rinçage sortant des canaux à ajutage 6 correspond chaque fois aux di- mensions à plat des zones des éléments de coupe 4 à attaquer au moyen du liquide de rinçage. Alors que la composante de sortie des jets de liquide de rinçage sortant des canaux coudés 6 des ajutages 5 est orientée à peu près parallèlement à la surface voisine du corps-de base 1, dans l'exem- ple représenté sur la Fig. 11, des ajutages 20 compor- tant des canaux à ajutage 21 parallèles à l'axe du trépan de forage sont prévus dans la zone centrale inférieu- re du corps de base 1 du trépan de forage rotatif et sont disposés d'une manière connue et des ajutages 22 comportant des canaux à ajutage 23 légèrement inclinés par rapport à l'axe du trépan de forage sont prévus dans la zone de transfert vers la zone supérieure du corps de base 1 occupée par les ajutages 5, les canaux 23 communiquant,pour leur part, par l'intermédiaire des canaux de liquide de rinçage 7, avec l'alésage cen- tral 17 destiné à ce liquide. En variante, on peut utiliser une réalisa- tion et un agencement selon l'exemple représenté sur la Fig. 12, o la composante directionnelle des jets de liquide de rinçage sortant des ajutages 5 va en augmentant à partir des ajutages disposés dans la zone centrale du corps de base 1 vers les ajutages disposés dans la zone latérale de ce corps de base 1. Dans l'exemple de réalisation de la Fig. 12, les aju- tages 5, qui.produisent un tel échantillonnage de jets, sont formés de corps d'ajutages 24 séparés en matière résistant à l'érosion, fixés dans le corps de base de manière à pouvoir être échangés. Les corps d'ajutages 24 sont fixés par des jonctions vissées 25 dans le corps de base 1 et communiquent, par l'intermé- diaire des canaux à liquide de rinçage 7, avec l'alésa- ge central du trépan de forage rotatif. Tous les canaux à ajutage 6 présentent, dans l'exemple de réalisation de la Fig. 12, dans leur zone de sortie, une déviation vers la zone de calibrage qui, sur la Fig. 12, est représentée en 26. Du fait qu'il est possible d'échanger les corps d'ajutages 24, on peut adapter le trépan aux diverses conditions de forage en ce qui concerne la fourniture de liquide de rinçage aux surfaces de coupe du trépan, en vissant dans les alésages ta- raudés du corps de base 1 des corps d'ajutages 24 semblables certes quant à leur diamètre extérieur, mais différents quant à la forme de leurs canaux à ajutage 6. Par exemple, on peut prévoir sans plus des canaux à ajutage présentant des diamètres en particulier des diamètres de sortie, différents et ce, d'une façon telle que le diamètre de sortie des canaux à ajutage 6 aille en augmentant vers la zone de calibrage 26. Il ressort de la Fig. 12 que le canal 6 du corps d'ajutage 24 dans la zone inférieure centrale du corps de base 1, présente la plus peti- te section de sortie comparé aux canaux 6 des autres corps d'ajutages 24. En lieu et place des corps d'ajutage 24 échangeables inférieurs immédiatement voisins de l'axe du trépan, des ajutages peuvent être rapportés directement par frittage ou incorporés à la matrice dure 2' dans la zone centrale du trépan, en raison de]'es- pace plus ou moins restreint qui dépend de la géométrie du trépan et, dans cette zone également, en lieu et place des éléments de coupe 4, d'autres éléments de coupe plus petits, par exemple des diamants naturels ou synthéti ques, indiqués en 27, peuvent être incorporés à la ma- trice dure 2'. On peut renoncer, sans nuire sensiblement à l'échantillon de liquide de rinçage obtenu, à une pos- sibilité d'échange des corps d'ajutages dans la zone centrale du trépan de forage rotatif. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Trépan de forage rotatif, en particu- lier pour forages profonds, formé d'un corps de ba- se présentant une zone de calibrage et une surface de coupe qui est définie par des éléments de coupe saillants montés à sa périphérie extérieure sur des éléments de support et qui présente des canaux à ajutage pouvant être traversés par du liquide de rinçage, caractérisé en ce qu'au moins certains ca- naux à ajutage (6, 13) présentent une zone de sortie orientée vers les éléments de coupe (4) conférant si- multanément aux jets de liquide de rinçage (10, 10', 10") sortant de ces canaux une orientation présentant au moins une composante dirigée dans le sens des dé- blais de forage qui s'écoulent le long de la surface extérieure du corps de base (1, 11). 2.- Trépan de forage rotatif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe central imaginaire du jet d'agent de rinçage (10") sortant d'un ajutage (5) recoupe la surface de coupe d'élé- ments de coupe (4) associés à cet ajustage sous un angle aigu (-i'). 3.- Trépan de forage rotatif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le plan cen- tral imaginaire du-jet d'agent de rinçage (10') sortant d'un ajutage (5) est orienté parallèlement à la surface de coupe des éléments de coupe (4) asso- ciés à cet ajutage. 4.- Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les ajutages (5) présentent, dans la zone de leur canal à ajutage (6) située en amont de leur orifice de sortie, une configuration coudée ou cour- bée vers la zone de calibrage (26) du trépan. 5.- Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la composante directionnelle des jets de li- quide de rinçage sortant des ajutages (5) augmente à partir des ajutages situés dans la zone centrale du corps de base (1) vers les ajutages situés d.ans la zone latérale du corps de base. 6.- Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la composante directionnelle des jets de li- quide de rinçage provenant d'ajutages disposés dans la zone latérale du corps de base (1) est orientée à peu près parallèlement à la surface voisine du corps de base. 7.- Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le diamètre de sortie des canaux à ajutage (6) va en augmentant à partir de la zone centrale vers la zone de calibrage (26) du corps de base (1). 8.- Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la largeur conique des jets de liquide de rin- çage (10, 10', 10") sortant des canaux à ajutage (6) correspond chaque fois essentiellement aux dimensions à plat des zones des éléments de coupe (4) à attaquer au moyen du liquide de rinçage. 9.- Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'au moins les ajutages (5) disposés dans la zone latérale de la surface de coupe du corps de base (1) sont faits de corps d'ajutage (24) séparés, en matière résistant à l'érosion, qui sont fixés dans le corps de base de manière à pouvoir être échangés. 10.- Trépan de forage rotatif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que les corps d'a- jutage (24) échangeables sont fixés dans le corps de base (1) au moyen d'assemblages vissés (25). 11.- Trépan de forage rotatif suivant la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que les aju- tages sont noyés dans la zone centrale de la surface de coupe du corps de base (1) directement dans un revêtement de matiere dure (2') appliqué sur cette surface. 12.- Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caracté- risé en ce que les canaux à ajutage (13) sont formés dans des ailes de support en forme de bande offrant les éléments de coupe (4) et unies au corps de base.