Brevet FR2488324A1 — publié le 19820212

- 1 2488324 La présente invention concerne un outil de forage rotatif pour forages profonds consistant en un corps de raccordement en acier qui comprend une queue filetée pour le montage sur un train de tiges ou une transmission rotative analogue et dont la tête est munie d'organes de coupe qui s'étendent depuis la partie de base de la tête jusque dans sa partie centrale renfoncée vers l'intérieur,qui sont rassemblés en groupes sous forme de rangées ou files faisant saillie sur le contour extérieur de l'outil de forage et sont soutenus dans une masse de liant. Dans les outils de forage rotatifs connus de ce genre, les organes de coupe sont soutenus dans une masse de matrice et de liant qui est appli- quée sur le corps de raccordement en acier. On uti- lise comme masse de matrice et de liant, en règle générale, le carbure de tungstène avec des alliages de cuivre comme liant. Cette matière présente une haute résistance à l'érosion et à l'abrasion, mais est fort onéreuse en raison de sa teneur en métal dur. Néanmoins, pour la reprise des tensions thermiques apparaissant pendant la fabrication, on utilise une forte épaisseur de couche pour empêcher la formation de fissures, de sorte que la quantité de la matrice onéreuse et rare utilisée est à considé- rer comme un inconvénient des outils de forage rota- tifs connus. Le but de la présente invention est d'a- gencer, dans un outil de forage rotatif du genre dé- crit ci-dessus, la masse de matrice et de liant de façon que la quantité de matière onéreuse puisse être diminuée sans que les propriétés mécaniques de l'outil de forage en souffrent. On atteint ce but,dans le cas d'un outil de forage rotatif du type décrit ci-dessus,en limi- tant l'agencement de la masse de matrice et de 2 2488324 liant au domaine des groupes en forme de rangées ou files d'organes de coupe ou de dépôts de coupe, en façonnant la masse de matrice et de liant en une couche et en garnissant l'espace intermédiaire entre la couche précitée et le corps de raccordement en acier d'une matière de remplissage, par exemple d'acier. Le façonnage en baguettes ou en côtes des aÈê- tes de coupe comprenant la masse de matrice et de li- ant a pour conséquence que les sollicitations thermiques ne peuvent s'exercer que partiellement sur le contour. Il n'en résulte donc aucune addition des composantes des sollicitations thermiques et les fissurations redoutées de la couche sont évitées. L'épaisseur de la couche de matrice et de liant peut elle-même être diminuée lorsque les arêtes de coupe ont la conformation mentionnée lorsque la masse est remplacée par une matière de remplissage dans la zone centrale. L'économie de matrice est ainsi réa- lisée sous deux rapports. L'acier, par exemple, convient comme ma- tière de remplissage à l'aide de laquelle l'espace intermédiaire entre la couche de masse de matrice et de liant et le corps de raccordement en acier est rempli et qui est soudée ensuite par frittage. Un avantage particulier de cette couche intermédiaire tient à son effet tampon contre la forme graphitique pour le corps de raccordement en acier qui se dilate par chauffage. La masse de matrice et de liant peut être conformée en une couche d'épaisseur égale en direc- tion tangentielle à la surface et orthogonalement à celle-ci lorsque la mise en oeuvre de l'outil de fGrage rotatif laisse prévoir une usure régulière en raison de la formation géologique ou être propor- tionnée à l'ampleur des forces d'abrasion et d'érosion exercées en différents endroits de l'outil de forage pendant la conduite d'un forage. Egalement en ce qui concerne la matière ajoutée à la masse de matrice et de liant, un choix entre différentes matières résis- tantes à l'abrasion est possible compte tenu des forces d'usure à prévoir. Dans toutes les formes de réalisation mentionnées, il est possible d'insérer dans la masse de matrice et de liant ou dans la matière de rem- plissage des corps d'appui façonnés au préalable et résistantsà l'abrasion,sur lesquels des plaquettes diamantées peuvent être soudées après la fabrication du corps de l'outil de forage. De même, des diamants naturels ou artifi- ciels peuvent être insérés superficiellement dans la couche de matrice et des diamants de petites di- mensions peuvent être noyés directement dans la mas- se de matrice et de liant. En outre, des combinai- sons des matières de coupe précitées sont également possible. Les ajutages et gouttières d'écoulement avec canaux d'accès jusqu'à un alésage central ser- vant à l'évacuation des déblais de forage et au re- froidissement des arêtes de coupe peuvent être insérés dans la matrice ou façonnées à l'aide de la matrice et, éventuellement, de la matière de remplissage. Dans une forme de réalisation particulière des ajutages, les canaux d'accès ont une section constante jusqu'à la surface de l'outil de forage et présentent, de préférence, un rapport du diamè- tre à la longueur de l'intervalle de 0,5 à 0,1. Au cas o pour des proportions déterminées des arêtes de coupe, la surface du corps de raccordement en acier utilisable pour la liaison doit être aug- mentée, des nervures peuvent être soudées sur le corps de raccordement dans le domaine des arêtes de coupe ou bien des baguettes peuvent être laissées en sail- lie lors de l'usinage du corps en acier. 4 2488324 Ces nervures deviennent nécessaires lorsque le rapport de la largeur des arêtes de coupe à leur hau- teur est égal ou inférieur à l'unité. Une protection contre l'usure du corps principal entre les nervures qui devient nécessaire en raison de la forme de l'outil de forage ou des conditions de forage peut être obtenue par enveloppement du corps principal dans une cuirasse de matière appropriée,par soudure ou pulvérisation au chalumeau ou au plasma sur le corps de raccordement en acier. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortent des revendications et de la description donnée ci-après avec référence aux des- sins illustrant des exemples d'exécution de l'objet de l'invention. Dans les dessins: Fig. 1 est une vue en perspective d'un premier outil de forage rotatif présentant des arêtes de coupe qui sont disposées en baguettes et portent des plaquettes de coupe formées au préalable et fixées sur des corps d'appui. Le fluide de lavage est ad- mis par des ajutages. Fig. 2 est une vue d'un deuxième outil de forage rotatif dont les arêtes de coupe sont conformées comme celles de la Fig. 1, mais dans lequel le fluide de lavage est amené par des gouttières d'écoulement. Fig. 3 est une vue d'un troisième outil de forage rotatif à baguettes plates-dont les surfaces tangentielles contiennent des particules coupantes et constituent un dépôt de coupe et qui sont inter- rompues suivant un profil déterminé par des canaux a eau. Fig. 4 et 5 sont des vues en coupe dans différentes formes de réalisation d'un outil de forage rotatif conforme à la Fig. 1. Fig. 6, 7 et 8 sont des vues en coupe dans différentes formes de réalisation d'un outil de forage rotatif conforme à la Fig. 2. 2488324 Fig. 9 et 10 sont des vues en coupe dans différentes formes de réalisation d'un outil de forage rotatif conforme à la Fig. 3. La Fig. 1 représente un outil de forage rotatif qui comprend un corps de raccordement 7 en acier et trois arêtes de coupe en forme de baguettes qui s' étendent chacune depuis le rayon extérieur de l'ou- til de forage jusqu'au centre. Les arêtes de coupe com- prennent des plaquettes de coupe façonnées au préa- lable contenant des diamants frittés polycristallins, qui sont fixées sur des corps d'appui partiellement noyés dans la baguette et indiquées dans l'ensemble par 1. Pour l'alimentation de l'outil de forage en fluide de lavage, le corps de raccordement 7 en acier com- porte un alésage central et des canaux d'accès pour le fluide qui débouchent dans les ajutages 5. Les arêtes de coupe, de même que les ajutages, sont soumis à d'importantes forces d'abrasion lors de la conduite du forage et présentent une surface résistante à l'abrasion et à l'érosion en masse de matrice et de liant 3. Le reste du corps en acier est exempt de protection ou bien est muni d'une cui- rasse 6 formée par soudure ou pulvérisation au chalumeau ou au plasma d'une matière appropriée sur le corps de raccordement. Pour mieux illustrer la constitution d'une baguette, les Fig. 4 et 5 sont des vues en coupe dans une baguette suivant la forme de réalisation de la Fig. 1. Une baguette comprenant un élément de coupe, indiqué dans l'ensemble par, est disposée sur un corps de raccordement en acier 7. La baguette consiste en une couche extérieure de masse de ma- trice et de liant 3 qui, comme décrit ci-dessus, est rendue très résistante à l'abrasion et à l'érosion par l'addition d'une matière qui résiste à l'usure, par exemple un carbure. Un noyau central 4 par contre en acier est soudé par frittage avec ou sans 6 2488324 addition de liant. La masse de matrice et de liant 3 ou le noyau en acier 4 sert,en dehors de sa fonc- tion principale de retenue et d'appui pour les élé- ments de coupe l,également de protection des aju- tages 5 pour le passage du fluide de lavage. Le reste du corps de raccordement en acier peut être muni d'une cuirasse 6 qui, comme déjà décrit, peut être réalisée par soudure ou pulvérisation au chalumeau ou au plasma d'une matière appropriée sur le corps de raccordement. La différence entre la baguette représen- tée à la Fig. 5 et celle de la Fig. 4 tient à la plus grande hauteur. Cette baguette comprend, en vue d'une augmentation de la surface utilisable pour la fixation sur le corps de raccordement en acier 7 une nervure 8 qui est, par exemple, soudée sur le corps de raccordement en acier 7 ou laissée en saillie lors de l'usinage. La Fig. 2 représentant le deuxième outil de forage, de même que les coupes correspondantes des Fig. 6, 7 et 8 donnent des exemples de la façon dont une masse de matrice et de liant 3 partielle- ment appliquée sur un noyau en acier 4 convient pour d'autres formes de réalisation de l'outil de forage. Les éléments de coupe 1 décrits à propos des Fig. 1, 4 et 5 étant conservés, les ajutages sont remplacés par des gouttières d'écoulement 9 ouvertes vers l'extérieur qui sont laissées ou façonnées dans la masse de matrice et de liant et qui débouchent dans le canal d'accès communiquant avec l'alésage cen- tral dans l'outil de forage. La couche extérieure résistante à l'abrasion des gouttières d'écoulement 9 est renfoncée vers l'intérieur suivant le contour extérieur, de sorte qu'en tous les points de la sur- face de la baguette, y compris les gouttières d'é- coulement en creux, l'épaisseur de couche de matière résistante à l'abrasion est à peu près la même. Pour 7 2488324 une plus grande hauteur de la baguette, il est pré- vu, comme indiqué à la Fig. 7, une nervure 8 qui remplit la même fonction que celle décrite à propos de la Fig. 5. îLa Fig. 8 représente une forme d'exécution d'une baguette de la plus petite hauteur, auquel cas, un évidement est ménagé dans le corps de rac- cordement en acier 7 pour recevoir la masse de ma- trice et de liant 3 et le noyau en acier 4. Dans un troisième outil de forage représenté à la Fig. 3, les éléments de coupe façonnés au préa- lable et positionnés avec précision sont remplacés par des couches de matière de coupe contenant, par exemple, des diamants naturels noyés dans la masse de matrice et de liant, qui constituent les surfaces tangentielles extérieures des nervures et constitu- ent un dépôt de coupe 2. Ce dépôt de coupe 2 est interrompu et parcouru par des gouttières d'écoule- ment 9 semblables à la sculpture d'un pneudans lesquelles, comme dans le deuxième outil de forage (Fig. 2) décrit, débouchent des canaux d'accès communiquant avec l'alésage central. La forme représentée en coupe aux Fig. 9 et 10 correspond à nouveau aux formes de réalisation déjà décrites pour ce qui est de l'agencement de la masse de matrice et de liant 3 et du noyau en acier 4. R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Outil de forage rotatif pour forages profonds consistant en un corps de raccordement en acier qui comprend une queue filetée pour la liaison avec un train de tiges ou une transmission rotative analogue et dont la tête est munie d'organes de cou- pe et/ou de dépôts de coupe qui s'étendent de la partie de base de la tête jusqu'à sa partie centrale, qui sont rassemblés en groupes sous forme de rangées ou files faisant saillie sur le contour extérieur de l'outil de forage et sont soutenus dans une masse de matrice et de liant, caractérisé en ce que l'agence- ment de la masse de matrice et de liant est limité au domaine des groupes sous forme de rangées ou files en saillie d'organes de coupe (1) et/ou de dépôts de cou- pe (2), la masse de matrice et de liant (3) est fa- çonnée en couche et un espace intermédiaire entre la couche précitée et le corps de raccordement en acier (7) est garni d'une matière de remplissage (2), par exemple d'acier. 2.- Outil de forage rotatif suivant la re- vendication 1, caractérisé en ce que la masse de ma- trice et de liant est constituée d'un dépôt dur fa- çonné au préalable dans le domaine des organes de cou- pe (1) ou des dépôts de coupe (2), lequel dépôt dur est soudé par frittage au moyen de la matière de remplissa- ge (4) sur le corps de raccordement en acier (7). 3.- Outil de forage rotatif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épais- seur de couche de la masse de matrice et de liant (3) est uniforme dans tout le domaine o elle s'étend. )+.- Outil de forage rotatif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épais- seur de couche de la masse. de matrice et de liant (3) est proportionné à l'ampleur des forces d'abrasion et d'érosion exercées en différents endroits de 9 2488324 l'outil pendant la conduite d'un forage. 5.- Outil de forage rotatif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le choix de la matière de la masse de matrice et de liant est fait en fonction de l'ampleur des forces d'abrasion et d'érosion exercées pendant la conduite du forage. 6.- Outil de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière de remplissage (4) est introduite et soudée par frittage dans l'espace intermédiaire entre la masse de matrice et de liant (3) et le corps de raccordement en acier (7). 7.- Outil de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que des canaux d'accès pour un fluide de lavage, qui communiquent avec un alésage central du corps de raccordement en acier (7), sont prévus et débouchent dans des ajutages (5), les ajutages étant disposés devant les éléments de coupe (1) dans le sens de rotation de l'outil de forage et protégés par la masse de matrice et de liant (3). 8.- Outil de forage rotatif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les ajutages (5) sont façonnés et réalisés comme partie intégrante de la masse de matrice et de liant. 9.- Outil de forage rotatif suivant la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les aju- tages (5) sont formés par les canaux d'accès et présentent une section constante sur leur longueur. 10.- Outil de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs canaux d'accès pour un fluide de la- vage, qui communiquent avec un alésage central du corps de raccordement en acier (7), sont prévus et débou- chent dans des gouttières d'écoulement ouvertes vers l'extérieur, les gouttières d'écoulement (9) sont prévues dans la masse de matrice et de liant (3) et 2488324 la matière de remplissage (4) et la couche de masse de matrice et de liant épouse le contour des gout- tières d'écoulement (9). 11.- Outil de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les organes de coupe (1) sont formés par des plaquettes de coupe contenant du diamant fritté polycristallin ou par des éléments de coupe impré- gnés, qui sont à leur tour fixés sur des corps d'ap- pui. 12.- Outil de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6 et 10, caracté- risé en ce que les dépôts de coupe (2) consistent en diamants naturels ou synthétiques ou en une combi- naison de diamants des deux espèces,qui sont noyés dans la masse de matrice et de liant (3) et/ou insérés dans la surface de celle-ci. 13.- Outil de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend non seulement des organes de coupe (1) formés par des plaquettes de coupe contenant du diamant fritté polycristallin ou par des éléments de coupe imprégnés, fixés à leur tour sur des corps d'appui, mais aussi des organes de coupe ou dépôts de coupe en diamants naturels ou synthétiques ou en une combinaison de diamants des deux espèces noyés dans la masse de matrice et de liant (3) et/ou insé- rés dans la surface de celle-ci. 14.- Outil de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que pour l'augmentation de la surface utile pour la liaison entre le corps de raccordement en acier (7) et la matière de remplissage (4), des ner- vures (8) sont appliquées sur le corps de raccorde- ment ou sont laissées en relief lors de l'usinage du corps de raccordement. 15.- Outil de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'unecuirasse en matière résistante à 1'abrasion et à l'érosion est disposée entre les groupes en forme de rangées ou files en relief. 16.- Outil de forage rotatif suivant la re- vendication 15, caractérisé en ce que la cuirasse (16) est constituée par un dépôt dur qui peut être formé, par exemple, par soudure ou pulvérisation au chalumeau ou au plasma.