Brevet FR2503785A1 — publié le 19821015

La présente invention concerne un élément de coupe pour trépan de forage rotatif pour forages profonds dans des formations géologiques, comprenant un corps de support avec une surface de support et un corps d'appui en métal dur fixé rigidement à ce corps de support par sa face postérieure et présentant une garniture de coupe située du côté de coupe et faite, en particulier, d'une matière diamantée synthétique polycristalline. Dans les éléments de coupe connus de ce type (brevet des Etats-Unis d'Amérique 4006788) qui se trouvent dans le commerce, le corps d'appui avec sa garniture de coupe est fait d'une plaquette circulaire ou d'un cylindre plat et la matière diamantée synthé- tique polycristalline formant la garniture de coupe est appliquée sur le corps d'appui par une opération de frittage ou d'infiltration thermique et forme avec ce dernier une unité monolithique. La matière diamantée onéreuse représente, dans ce cas, la fraction de loin la plus importante des frais.de fabrication de ces plaquettes de coupe diamantée. De tels éléments de coupe présentent certes une série de possibilités d'utilisation sur des trépans de forage rotatifs destinés à des forages profonds, qui accusent alors de bons rendements de forage, mais les trépans de forage équipés de cette façon d'éléments de coupe diamantés, sont très onéreux à cause du coût élevé de la matière diamantée. En particulier, ces éléments de coupe ne conviennent que de manière limitée pour des formations géologiques relativement tendres. On connaît également des trépans de forage rotatifs pour forages profonds dans des roches et des formations géologiques analogues (demande de brevet allemand publiée OS 2910347) dont les éléments de coupe sont chacun constitués d'une partie de support ou d'un corps d'appui en métal dur ou en matière analogue et d'une partie de coupe disposée sur ce corps et faite en 2503 785 particulier d'une matière diamantée synthétique poly- cristalline et sont formés, dans ce cas, d'un secteur d'un corps fritté entourant, par sa partie de support et comme une chemise, la partie de coupe ayant la forme d'un noyau, au moins à sa périphérie. Les éléments de coupe ont, dans ce cas, la forme de secteurs cunéi- formes qui sont découpés de préférence dans un cylindre ou dans un prisme droit à plusieurs côtés selon des angles de, par exemple, 45, 60 ou 90 . Dans cette réalisation connue, contrairement aux éléments de coupe en forme de plaquettes précités à garniture diamantée, la partie de coupe n'est pas formée par une mince garniture superficielle, mais par une masse diamantée occupant le sommet de l'angle. Des trépans de forage rotatifs pour forages profonds dans des formations géologiques relativement tendres repré- sentent un domaine d'utilisation préféré de ces élé- ments de coupe, les éléments de coupe étant noyés dans un corps de base du trépan de forage d'une manière telle qu'ils attaquent la formation par une arête de coupe d'extrémité précédente et détachent ainsi de la formation des déblais semblables à ceux produits par une charrue. Les éléments de coupe réalisés de cette façon permettent certes d'atteindre des résultats de forage particulièrement bons dans des formations géologiques tendres, mais leur fabrication exige une quantité importante de matière diamantée onéreuse agglomérée dans la zone d'angle dans l'élément de coupe terminé. L'invention a pour but de procurer un élément de coupe du type précité destiné à un trépan de forage rotatif pour des forages profonds dans des formations géologiques, qui, du point de vue de son rendement de coupe pendant une opération de forage dans des forma- tions géologiques relativement tendres, donne essen- tiellement les mêmes valeurs favorables que celles d'éléments de coupe en forme de secteurs cunéiformes 2503 785 provenant d'un corps fritté, tout en étant moins onéreux que ceux-ci. Ce but est réalisé conformément à l'invention par le fait que, sur le corps de support, une surface de support est formée de deux surfaces partielles de support attenantes de manière cunéiforme et formant une arête frontale et un corps d'appui avec une garniture de coupe est appliqué sur chacune des deux surfaces partielles de support et les occupe entièrement. Dans cette réalisation, chaque corps d'appui avec sa garniture de coupe est disposé sur une des surfaces partielles de support attenantes de manière cunéiforme du corps de support, de sorte que l'on obtient un élément de coupe à contour cunéiforme qui, pendant une opération de forage, peut produire un effet de charrue lors du traitement de la formation géolo- gique et permet ainsi d'obtenir des rendements de forage élevés, en particulier dans des formations géologiques relativement tendres. L'élément de coupe conforme à l'invention est alors nettement moins onéreux que les éléments de coupe cunéiformes connus, car les corps d'appui utilisés conformément a l'inven- tion avec leur garniture de coupe peuvent être formés par les éléments de coupe connus depuis longtemps et se trouvant dans le commerce qui ont la forme de plaquettes ou de corps moulés cylindriques circulaires dans lesquels ils sont découpés, de préférence, selon des contours correspondant aux surfaces partielles de support du corps de support. Il est fondamentalement aussi possible de fabriquer les corps d'appui avec leur garniture de coupe sous la forme de corps moulés en correspondance avec une surface partielle de support prescrite du corps de support, mais la préparation de secteurs d'un corps moulé cylindrique circulaire correspondant aux surfaces partielles de support du corps de support a l'avantage que l'on peut utiliser des plaquettes de coupe diamantée courantes et les 2503 785 mettre en oeuvre rationnellement. Ceci évite, en particulier, une agglomération de matière diamantée onéreuse dans la zone d'angle des éléments de coupe et garantit une large possibilité de variations dans la configuration des corps d'appui avec leur garniture de coupe et dans leur montage sur le corps de support. Les éléments de coupe conformes à l'invention peuvent de cette façon être fabriqués d'une manière extrêmement économique, ce à quoi contribue en fin de compte également le fait que les résidus non utilisés de plaquettes de coupe diamantées circulaires déjà usées peuvent être utilisés, dans l'optique d'une diminution des frais, pour la fabrication d'éléments de coupe conformes à l'invention. De nombreuses autres particularités et avan- tages de l'invention ressortiront des revendications 2 à 16 ainsi que de la description de plusieurs formes d'exécution donnée ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe transversale d'un élément de coupe conforme à l'invention selon une première forme d'exécution; la Fig. 2 est une vue en coupe transversale d'un élément de coupe conforme à l'invention selon une deuxième forme d'exécution; la Fig. 3 est une vue, à plus grande échelle, d'une zone d'angle de l'élément de coupe représenté sur la Fig. 2, et les Fig. 4 à 10 illustrent chacune, en éléva- tion de côté, un élément de coupe conforme à l'invention. L'élément de coupe représenté aux dessins comprend un corps de support 1 qui est formé par un téton en métal dur ou en une matière dure analogue et dont l'une des extrémités peut être enfoncée dans un corps de base 2, par exemple une masse de matrice et de 2503 785 liant et faisant partie d'un trépan de forage. Dans les formes d'exécution représentées sur les Fig. 1 et 2, la partie principale du- corps de support 1 a, en coupe, la forme qui apparaît sur ces figures et qui est formée d'une surface semi-circulaire 3 et d'une surface triangulaire 4. Dans les surfaces latérales 5 et 6 du corps de support 1, délimitant la surface triangulaire 4, est usinée une surface de support 7 formée de deux surfaces partielles de support 8. Dans la forme d'exé- cution représentée, les deux surfaces partielles de support 8 sont attenantes de manière cunéiforme, sous un angle de 90 , et forment A leur ligne de rencontre une arête antérieure 9 de la surface de support 7. Un corps d'appui 10 avec une garniture de coupe est appliqué par sa face postérieure sur chacune des deux surfaces partielles de support 8 et les occupe entièrement. Les corps d'appui 10 sont faits d'un métal dur ou fritté adéquat ou d'une matière dure analogue, comme du carbure de tungstène, tandis que la garniture de coupe 11 est faite d'une matière diamantée adéquate, en particulier d'une matière diamantée synthétique polycristalline et est reliée rigidement au corps d'appui 10 par une opération d'infiltration thermique selon un procédé bien connu. Les corps d'appui 10 avec leur garniture de coupe 11 sont découpés, respecti- vement, dans un corps moulé cylindrique circulaire présentant la garniture de coupe sur l'une de ses surfaces, qui peut être réalisée selon un procédé de fabrication bien connu, par exemple, par électro- érosion. Dans ce cas, les bords 12 tournés l'un vers l'autre des corps d'appui 10 avec la garniture de coupe Il sont taillés à onglet dans la forme d'exécution représentée sur la Fig. la, se touchent de manière jointive devant l'arête antérieure 9 de la surface de support 7 et forment ensemble une arête de coupe d'extrémité ou frontale 13, tandis que, dans la variante représentée sur la Fig. lb, les corps d'appui 2503 785 avec la garniture de coupe Il se coupent à angle droit en formant des surfaces marginales 12' et sont fixés de la manière représentée avec chevauchement sur le corps de support. La forme d'exécution représentée sur la Fig. 2 se distingue de celle représentée sur la Fig. la par le fait que les surfaces marginales 12' tournées l'une vers l'autre des corps d'appui 10 avec la garni- ture de coupe 11 s'étendent perpendiculairement à leurs côtés- antérieur et postérieur et une mise rapportée en matière dure 14 est disposée dans le coin subsistant entre elles. La mise en matière dure 14 est formée par un corps moulé ayant la forme d'un barreau carré dont la dimension latérale correspond essentiellement à la largeur des corps d'appui 10 avec la garniture de coupe 11, c'est-à-dire à leurs surfaces marginales 12' et dont la hauteur correspond essentiellement à celle de l'arête antérieure ou frontale 9 de la surface de support 7. Les surfaces extérieures 15 de la mise en matière dure 14 sont à niveau avec la garniture de coupe 11 de chaque corps d'appui 10 adjacent, tandis que son arête antérieure 16 forme une arête de coupe d'extrémité correspondant à l'arête de coupe d'extré- mité 13 de la forme d'exécution rerésentée sur la Fig. 1. La mise en matière dure 14 peut aussi être faite d'un métal dur ou, comme la vue de détail a plus grande échelle de la Fig. 3 le montre clairement, d'une masse matricielle qui est imprégnée de diamants ou qui présente des diamants disposés en surface. Avant toute chose, on utilise alors des diamants 17 et de préférence des diamants naturels dans la zone de l'arête de coupe d'extrémité 16 de la mise 14. Comme le montrent clairement les Fig. 1 et 2, les surfaces partielles de support 8 du corps de support 1 sont pourvues de surfaces marginales 18 coudées vers l'extérieur, sur lesquelles les corps 2503 785 d'appui 10 avec leur garniture de coupe 11 prennent appui marginalement dans les zones de leurs surfaces marginales 19 opposées l'une à l'autre. Dans le prolon- gement latéral des corps d'appui 10 subsistent des zones des surfaces latérales 5 et 6 du corps de support 1 qui prolongent la garniture de coupe 11 des corps d'appui 10 dans une direction partant de l'arête de coupe d'extrémité 13 ou 16 et qui, dans l'exemple représenté, sont au niveau de celles-ci. Ces zones superficielles forment des surfaces d'attaque destinées à évacuer les déblais de forage. Sur les Fig. 4 à 10, le corps de support 1 en forme de téton est représenté à l'état monte dans un trépan de forage dans lequel il est enfoncé par une de ses extrémités dans le corps de base 2 du trépan de forage et porte, dans sa zone en saillie sur le corps de base 2, les deux corps d'appui 10 avec la garniture de coupe 11. Il est évident alors que les corps d'appui avec la garniture de coupe 11 ont chaque fois la forme d'un segment ou d'un secteur circulaire de sorte que les surfaces partielles de support 8 ont la forme d'une partie de cercle correspondante. Par une arête marginale antérieure qui peut être formée lors d'une opération de découpage du corps d'appui 10 avec la garniture de coupe 11 dans un corps moulé cylindrique circulaire, les corps d'appui 10 sont attenants au niveau de l'arête antérieure 9 de la surface de support 7, tandis que les bords 19 opposes l'un à l'autre des corps d'appui 10 avec la garniture de coupe Il ou bien chevauchent les surfaces marginales coudées vers l'extérieur 18 des surfaces partielles de support 8 et sont supportés par celles-ci ou bien forment des arêtes de coupe extérieures 20 en complément de l'arête de coupe d'extrémité 13 ou 16, qui est disposée dans le plan de l'arête antérieure 9 de la surface de support 7 du corps de support 1. Dans la forme d'exécutée représentée sur la 2503 785 Fig. 4, les deux corps d'appui 10 avec la garniture de coupe ll vu en plan ont chacun la forme d'un demi- cercle, l'arête droite formant l'arête de coupe d'extrémité 13 tandis que les bords courbes en arc de cercle 19 chevauchent la majeure partie des surfaces marginales 18 des surfaces partielles de support 8 et seule leur zone d'extrémité inférieure forme une arête de coupe extérieure supplémentaire 20. Dans des réalisations correspondant a celle représentée sur la Fig. 4, des corps d'appui 10 avec garniture de coupe ll de forme semi-circulaire peuvent aussi être remplacés par d'autres corps d'appui en forme de segments de cercle. Pour le -reste, dans la forme d'exécution représentée sur la Fig. 4, comme dans les autres formes d'exécution représentées sur les Fig. 5 à 8, le corps de support 1 en forme de téton présente une zone d'extrémité postérieure libre extérieure 21 qui est arrondie en arc de cercle vers l'arête antérieure 9 de la surface de support 7 ou vers l'arête de coupe d'extrémité 13 ou 16. Dans la forme d'exécution représentée sur la Fig. 5, les deux corps d'appui 10 avec la garniture de coupe 11 vus en plan ont chaque fois la forme de base d'un secteur circulaire, une arête droite formant l'arête de coupe d'extrémité 13 et l'autre bord du secteur maintenu sans appui par le corps de support 1 étant arrondi pour sa part dans le prolongement de la zone arrondie en arc de cercle 21 du corps de support 1, vers l'arête de coupe d'extrémité 13. Le bord courbé en arc de cercle des deux corps d'appui 10 avec la garniture de coupe 11 chevauche les surfaces marginales coudées 18 des surfaces partielles de support 8 et est supporté par celles-ci. La forme d'exécution représentée sur la Fig. 6 se distingue de celle représentée sur la Fig. 5 essen- tiellement par le fait que l'arête de coupe extérieure 2503 785 des corps d'appui 10 qui ici aussi ont laforme de secteurs circulaires, s'étend en ligne droite et perpendiculairement à l'arête de coupe d'extrémité 13. Dans la forme d'exécution représentée sur la Fig. 7 dans laquelle les deux corps d'appui 10 avec la garniture de coupe 11 sont chacun formés, comme dans le cas de la forme d'exécution représentée sur la Fig. 6, par un secteur circulaire ayant la forme d'un quart de cercle, une modification est introduite par le fait que la première arête droite du secteur forme l'arête de coupe d'extrémité 13 et l'arête marginale courbée en arc de cercle forme l'arête de coupe extérieure 20 supplémentaire, tandis que l'autre arête droite du secteur chevauche chaque fois une des surfaces margi- nales coudées 18 des deux surfaces partielles de support 7 et est supportée par celles-ci. La zone extérieure arrondie vers l'arrière 21 du corps de support 1 coïncide dans ce cas avec l'arête de coupe extérieure 20 des corps d'appui 10 avec la garniture de coupe 11. Dans la forme d'exécution représentée sur la Fig. 8, les deux corps d'appui 10 avec la garniture de coupe 11 ont la forme de secteurs circulaires aigus agencés de la manière décrite à propos de la Fig. 7. Alors que la première arête droite du secteur forme à nouveau l'arête de coupe d'extrémité 13 et l'arête courbe l'arête de coupe extérieure supplémentaire 20, l'autre arête marginale droite, chevauchée par une des surfaces marginales coudées 18 des surfaces partielles de support 8 s'étend, en fonction de l'angle choisi, obliquement vers l'arête de coupe d'extrémité 13. La zone extérieure arrondie vers l'arrière 21 du corps de support 1 s'étend comme décrit à propos de la Fig. 7. Dans les formes d'exécution représentées sur les Fig. 9 et 10, les corps d'appui 10 avec la garni- ture de coupe 11 ne sont pas formés par des secteurs d'un cercle et ne présentent que des arêtes de délimi- 2503 785 tation droites. Dans ces cas, les corps d'appui 10 avec la garniture de coupe 11 peuvent aussi être faits de secteurs de corps moulés correspondants ou de corps moulés préfaçonnés dans leur configuration finale. L'agencement et le montage des corps d'appui avec la garniture de coupe 11 sur le corps de support s'effectue, dans les formes d'exécution repré- sentées sur les Fig. 9 et 10, de la même manière que dans les exemples décrits plus haut. Ainsi, dans la forme. d'exécution représentée sur la Fig. 9, une arête de coupe extérieure inférieure 20 est présente comme sur la Fig. 6 et s'étend en ligne droite et perpendicu- lairement à l'arête de coupe d'extrémité 13. L'arête marginale droite opposée à l'arête de coupe extérieure et parallèle à celle-ci est chevauchée par une surface marginale coudée 18 de la surface partielle de support associée et est supportée par celle-ci. Entre ces deux arêtes marginales, une arête marginale droite du corps d'appui 10 avec la garniture de coupe 11, maintenue sans appui, s'étend obliquement vers le corps de base 2. Dans la forme d'exécution représentée sur la Fig. 10, une arête de coupe extérieure inférieure 20 qui s'étend en ligne droite et perpendiculairement à l'arête de coupe d'extrémité 13 est également prévue, les arêtes marginales droites chevauchées par les surfaces marginales coudées 18 des surfaces partielles de support 8 s'étendant tout d'abord perpendicu- lairement à l'arête de coupe extérieure inférieure 20, puis obliquement vers l'arête de coupe extérieure 13 et vers le corps de base 2. Les zones de surfaces latérales 5 et 6 situées dans le prolongement des garnitures de coupe 11 des deux corps d'appui 10 sont absentes dans les formes d'exécution représentées sur les Fig. 7, 8 et 9. La liaison rigide des deux corps d'appui 10 avec le corps de support 1 peut être formée par une 2503 7-5 jonction soudée 2, comme illustré schématiquement sur les Fig. 1 à 3. Dans le cas de la forme d'exécution représentée sur les Fig. 2 et 3, la fixation de la mise en matière dure 14 aux deux corps d'appui 10 peut aussi être assurée par la jonction soudée 22. Les deux corps d'appui 10 peuvent être reliés au corps de support 1 et le cas échéant la mise rappor- tée en matière dure 14 peut être reliée aux deux corps d'appui 10 par frittage dans un moule ou par pressage à chaud-isostatique, ce qui remplace une jonction soudée. Les exemples illustrés aux dessins ne doivent être considérés que comme une sélection parmi un grand nombre de possibilités de configurations des éléments de coupe et de leur montage sur les trépans de forage, divers angles de montage par rapport à la formation géologique à attaquer pouvant aussi être choisis de telle sorte que les éléments de coupe puissent agir sur la formation non pas uniquement comme un soc de charrue par leur arête de coupe d'extrémité antérieure 13 ou 16, mais aussi par éraflement ou raclage. 2503 785 R E V E N D I C A T I O N S 1.- Elément de coupe pour trépan de forage rotatif pour forages profonds dans des formations géologiques, comprenant un corps de support avec une surface de support et un corps d'appui en métal dur fixé rigidement à ce corps de support par sa face postérieure et présentant une garniture de coupe située du côté de coupe et faite en particulier d'une matière diamantée synthétique polycristalline, caractérisé en ce que, sur le corps de support (1), une surface de support (7) est formée de deux surfaces partielles de support (8) attenantes de manière cunéiforme et formant une arête frontale (9) et un corps d'appui (10) avec une garniture de coupe (11) est appliqué sur chacune des deux surfaces partielles de support et les occupe entièrement. 2.- Elément de coupe suivant la revendi- cation 1, caractérisé en ce que le corps d'appui (10) avec sa garniture de coupe (11) est découpé dans un corps moulé cylindrique circulaire présentant la garniture de coupe sur l'une de ses surfaces. 3.- Elément de coupe suivant la revendi- cation 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces partielles de support (8) ont la forme d'une partie de cercle et les corps d'appui (10) avec leur garniture de coupe (11) ont la forme d'un segment ou d'un secteur circulaire correspondant et sont, respectivement, contigus par une arête marginale à l'arête frontale (9) de la surface de support (4). 4.- Elément de coupe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les bords (12) des corps d'appui (10) avec la garniture de coupe (11) sont taillés à onglet et se touchent de manière jointive devant l'arête frontale (9) de la surface de support (7). 5.- Elément de coupe suivant l'une quelconque 2503 7ED des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les bords tournés l'un vers l'autre des corps d'appui (10) avec la garniture de coupe (11) présentent des surfaces marginales (12') perpendiculaires à leur côté antérieur et à leur côté postérieur et, dans le coin subsistant entre ces surfaces, est disposée une mise rapportée (14) en matière dure. 6.- Elément de coupe suivant la revendi- cation 5, caractérisé en ce que la mise en matière dure (14) est faite d'un corps moulé ayant la forme d'un barreau carré dont la dimension latérale correspond à la largeur des corps d'appui (10) avec la garniture de coupe (11) et dont la hauteur correspond à celle de l'arête frontale (9) de la surface de support (7). 7.- Elément de coupe suivant la revendi- cation 5 ou 6, caractérisé en ce que la mise en matière dure (14) est en un métal dur. 8.- Elément de coupe suivant la revendi- cation 5 ou 6, caractérisé en ce que la mise en matière dure (14) est faite d'une masse matricielle qui est imprégnée de diamants ou comporte des diamants disposés en surface. 9.- Elément de coupe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le corps de support (1) est fait d'un téton en métal dur ou en une autre matière dure qui peut être enfoncé par l'une de ses extrémités dans un corps de base d'appui (10) avec la garniture de coupe (11). 10.- Elément de coupe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les surfaces partielles de support (8) du corps de support (1) sont pourvues de surfaces marginales (18) tournées vers l'extérieur contre lesquelles les corps d'appui (10) avec leur garniture de coupe s'appuyent dans des zones de leurs bords (19) opposés l'un à l'autre. 2503 785 11.- Elément de coupe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le corps de support (1) présente des zones superficielles (5, 6) qui sont disposées dans le prolongement latéral des corps d'appui (10) et qui prolongent la garniture de coupe (11) des corps d'appui (10). 12.- Elément de coupe suivant la revendi- cation 10 ou 11, caractérisé en ce que des zones des bords (19) opposés l'un à l'autre des deux corps d'appui (10) avec leur garniture de coupe (11) qui sont maintenues sans être soutenues par le corps de support (1) forment des arêtes de coupe extérieures (20) en complément d'une arête de coupe d'extrémité (13, 16) disposée dans le plan de l'arête frontale (9) de la surface de support (7) du corps de support. 13.- Elément de coupe suivant les revendi- cations 4 et 12, caractérisé en ce que l'arête de coupe d'extrémité (13) est formée en combinaison par les bords taillés à onglet (12) des deux corps d'appui (10) avec la garniture de coupe (11). 14.- Elément de coupe suivant les revendi- cations 5 et 12, caractérisé en ce que l'arête de coupe d'extrémité (16) est formée par une arête garnie de diamants (17) de la mise rapportée en matière dure (14) entre les surfaces marginales tournées l'une vers l'autre (12') des deux corps d'appui (10). 15.- Elément de coupe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les deux corps d'appui (10) sont reliés rigidement au corps de support (1) et, le cas échéant, la mise rapportée en matière dure (14) est reliée rigidement aux deux corps d'appui par une jonction soudée (22). 16.- Elément de coupe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les deux corps d'appui (10) sont reliés au corps de support (1) et, le cas échéant, la mise rapportée en matière dure (14) est reliée aux deux corps d'appui par frit- 2503 7S5 tage dans un moule ou par pressage a chaud isostatique.