Brevet FR2526850A1 — publié le 19831118

La présente invention se rapporte à des trépans de forage à molettes, du type comportant des arbres de portée en porte-à-faux sur lesquels sont montés en rotation des corps de coupe, sensiblement tronconiques, qui présentent des dents de coupe ou des inserts formant saillie vers l'ex térieur. Plus particulièrement, la présente invention vise une structure de portée composite, utilisable dans la région de la face de butée d'un dispositif de coupe pour trépan de forage à molettes, cette structure de portée composite possédant des caractéristiques améliorées de résistance à l'usure dans des applications à température élevée et une plus grande résistance à une défaillance prématurée des portées.Les trépans de forage à molettes usuels utilisent généralement au moins deux dispositifs différents de portée, pour le montage en rotation des structures de coupe sur les arbres porteurs. Le premier de ces dispositifs est le dispositif de portée radiale, qui comprend en général des roulements à billes, des roulements à rouleaux et/ou des paliers à manchon antifriction. Ces structures de portée absorbent les efforts de poussée dans la direction radiale par rapport à l'arbre porteur cylindrique. Le deuxième type de dispositif de portée rencontré dans les trépans à molettes est le dispositif de butée ou de face d'appui, qui contribue d'une manière générale à la facilité de rotation de la molette str son arbre et qui est soumis à des efforts de poussée qui se produisent généralement dans la direction axiale par rapport à l'arbre porteur. La présente invention a pour objet un dispositif de butée perfectionné pour trépan de forage à molettes. L'invention procure un trépan de forage à molettes du type comprenant au moins un bras, dirigé vers le bas et duquel part un arbre porteur tenu en porte-à-faux vers le bas, et une molette de coupe montée en rotation sur cet arbre porteur par l'intermédiaire de moyens de portée radiale et de moyens de portée axiale, caractérisé en ce que les moyens de portée axiale comprennent une surface de butée relativement plane et à segments multiples, cette surface multisegmentée comportant au moins dcux s- > mcnt~ Ce zor-posit:ions métalliques différentes, l'un de ces segments étant une composition métallique de faible coefficient de frottement aux faibles températures et l'autre segment étant une composition métallique de faible coefficient de frottement aux températures élevées. Suivant un autre aspect de la présente invention, celle-ci vise une structure de portée utilisable dans une butée placée entre les surfaces de poussée dans un trépan de forage à molettes, cette structure de portée comprenant une pluralité de segments alternés d'au moins deux compositions métalliques différentes, la première de ces compositions métalliques ayant de bonnes caractéristiques de fonctionnement à basse température et la deuxième de ces compositions métalliques ayant de bonnes caractéristiques de fonctionnement à température élevée. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de sa forme de réalisation, non limitative, représentée sur les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe dlun bras unique avec t'ne structure de coupe d'un trépan de forage à trois molettes coniques ; - la figure 2 est une coupe partielle, à plus grande échelle, de la région de la surface de butée de la structure de coupe du trépan de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue de la structure de portée dans la molette, suivant la ligne 3-3 de la figure 2. On voit sur la figure 1,- qui est une illustration typique de l'équipement d'un bras dans un trépan, à trois molettes cyniques, que l'ensemble de bras 10 comprend un élément de bras 12, dirigé vers le bas,et une broche d'ex trématé supérieure filetée 14. I1 faut noter que l'ensemble de bras 10 comprend d'une manière générale une partie courbe de 1200 d'arc environ, c'est-à-dire un tiers d'un trépan complet. L'ensemble de bras 10 comporte un pivot de portée 18, dirigé vers le bas, formé solidairement sur l'extrémité inférieure du bras 12. Une surface de portée cylindrique 20 est formée sur le pivot 13 et un chemin circulaire 22 de roulement à billes est également formé sur l'arbre. Une face plane de butée 24 est prévue transversalement à l'extrémité inférieure 16 de l'arbre porteur 18.Un palier cylindrique antifriction 26 est disposé en ajustement relativement sans jeu sur la surface de portée 20. Une pluralité de billes sphériques sont placées dans le chemin de roulement 22. Une molette 30 sensiblement tronconique est montée tournante sur l'arbre 18 et elle est retenue sur cet arbre par la présence des billes 28. Un chemin de roulement circulaire complémentaire 32 est formé dans la molette 30, pour recevoir le roulement à billes 28. De même, un logement présentant une surface de contact 34 est formé dans la molette 30, de manière à venir en contact serré avec le manchon antifriction 26. Une surface de butée 36 est formée dans la cavité de la molette 30, de manière à venir en contact rotatif de portée avec, la face de butée 34 de l'arbre 18. Un passage 38 pour le chargement des billes est prévu à travers le bras 16, pour permettre la mise en place des billes dans le chemin de roulement 22. Un bouchon 40 obture le passage 38 après chargement des billes de roulement. Le bouchon 40 peut être soudé en position, comme indiqué en 42. Une garniture 44 d'étanchéité radiale est placée dans un logement de garniture radial, prévu dans la molette 30, de façon à venir en contact étanche sur un épaulement d'étanchéité 46 usiné sur l'arbre porteur 18. Un canal de lubrification 48 est formé à-travers le bras 12, pour l'introduction d'un lubrifiant dans les zones de portée entre la molette 30 et le pivot 18. On se reporte maintenant à la figure 2 qui est une coupe à plus grande échelle d'une partie de l'arbre porteur 18 et de la molette 30. Cette coupe partielle illustre plus clairement la structure de butée entre le pivot et la molette. Sur la figure 2, l'arbre 18 présente une face de butée 24 perpendiculaire et relativement plane sur laquelle est fixée une couche 56 de matière de portée. La face de butée 24 est sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'arbre porteur 18 et recouvre sensiblement t4ut le diamètre de l'arbre. La molette 30 possède une structure de portée complémentaire 58, adjacente à la couche de portée 56 du pivot et prévue pour venir en contact glissant avec cette dernière La matière de la structure de butée 58 de la molette est liée ou intégrée à la face de butée de la molette, dans des cavites qui ont été formées dans la face de butée de la molette. La figure 3 est une vue de la zone de la face de butée de la molette, suivant la ligne 3-3 de la figure 2. On voit, sur la figure 3, que la structure de butée 58 de lamolette comprend une pluralité de segments de portée alternés- 60 et 62. Ces segments de portée alternés sont réalisés en matières métalliques de portée qui ont des caractéristiques largement différentes. Par exemple, dans une forme de réalisation de l'invention, un groupe de segments 60 est en matière de portée constituée d'un alliage en bronze d'aluminium comprenant environ 14 à 15 % en poids d'aluminium, environ 3 à 5 % en poids de fer, environ 0,5 % d'autres métaux, le complément étant du cuivre.L'autre matière de portée 62 est une matière base de cobalt connue sous le nom de "stellite 1", comprenant environ 2,2 à 2,5 % de carbone, environ 30 % de chrome, environ 12 % de tungstène, le complément étant du cobalt. D'autres matières du type stellite, par exemple stellite 6 et stellite 12, peuvent également être utilisées dans l'un des deux groupes de segments de portée. Les segments de portée en stellite sont intégrés dans la face de butée de la molette au moyen d'un chalumeau oxy-acétylénique à refroidissement par eau. Après intégration des segments de stellite par fusion dans la face de butée, les cavités restantes sont nettoyées au jet ou à la brosse métallique et on incorpore ensuite les segments en bronze d'aluminium dans les cavités alternées, par soudure hélicoldale. La structure de portée résultante comprend un segment de stellite, d'une dureté de l'ordre de 42 à 45 Rockwell C, alternant avec un segment de portée en bronze d'aluminium, d'une durete de l'ordre de 25 à 35 Rockwell C. Cette structure de portée est particulièrement avantageuse dans la présente application, à cause des caractéristiques différentes des alliages métalliques dans les deux segments de portée différents. Le segment de portée en stellite possède de très bonnes caractéristiques à température élevée, par exemple une dureté élevée, une faible usure et un faible coefficient de frottement aux températures élevées, tandis que les segments en bronze d'aluminium possèdent une faible usure et un faible coefficient de frottement aux températures inférieures. La tendance actuelle dans la conception des trépans pour le forage dans des formations du sous-sol consiste à utiliser des angles d'inclinaison de plus en plus grands et un décalage de l'axe de la molette dans les trépans, afin d'obtenir une action de coupe, de creusement et de raclage de plus en plus rapide et efficace des dents de coupe sur la face du puits. Par exemple, dans la demande de brevet Américain NO 132 951 de la même demanderesse, on décrit un trépan de forage qui présente un décalage fortement augmenté des axes des molettes, par rapport aux trépans de forage usuels. Dans un tel trépan à grand décalage,des efforts supplémentaires considérables s'ajoutent et s'exercent sur les faces de butée, par suite de l'augmentation du décalage de l'axe qui provoque un accroissement de la tralnée sur le trépan.La traînée accrue et la charge résultante appliquée sur les faces de butée tendent à accélérer l'usure de la portée de butée et à provoquer une défaillance prématurée de la surface de butée. La charge accrue entraine l'augmentation de la quantité de chaleur engendrée dans la matière de portée et la température de celle-ci s'élève rapidement. Cette élévation de température provoque généralement une défaillance prématurée des portées dans les structures de portée usuelles à cause de leur incapacité à fonctionner à des températures élevées. La présente invention est particulièrement avantageuse dans les trépans à grand décalage et trainée élevée, grâce à sa plus grande capacité à continuer à fonctionner sous de fortes charges et à des températures élevées. D'autre part, la présente invention procure également une capacité de portée à basse température, pour le fonctionnement sous des charges et des conditions de fatigue normales et pour les opérations initiales sous de fortes concentrations de fatigue avant que la forte résistance rencontrée n'entraine l'élévation de température. L'utilisation de portée segmentée composite, présentant des segments en compositions métalliques sensiblement différentes, procure une structure de portée ayant une très large plage de fonctionnement.Les segments en bronze d'aluminium assurent un faible coefficient de frottement et une usure faible dans la plage de charge normale à faible température, dans laquelle la surface de portée en stellite n'est pas normalement aussi avantageuse. D'autre part, les segments de portée en stellite possèdent un coefficient de frottement décroissant ainsi qu'une dureté élevée et une grande résistance à l'usure lorsque les températures dans les structures de portée augmentent. En plus de cette amélioration des qualités de portée lorsque la température augmente, la grande conductivité thermique du bronze d'aluminium favorise également la dissipation de la chaleur, engendrée dans la surface de portée, en dehors de l'arbre porteur 18 et son transfert dans la molette 30, de sorte qu'il en résulte une dissipation de la chaleur et non une accumulation de chaleur qui se produirait si la chaleur était transférée en sens inverse vers l'arbre porteur 18. Bien que la présente description se refère a une structure de butée segmentée située dans la face de butez de la molette, il est entendu que la structure de butée segmentée peut être inversée et utilisée sur la face de butée de l'arbre du pivot, ou qu'à la fois l'arbre et la molette peuvent utiliser la portée segmentée. La construction préférée, comme déjà indiqué, consiste à utiliser la portée segmentée dans la face de la molette afin d'obtenir une dissipation de chaleur rapide, de l'arbre porteur emprisonné vers le corps de coupe plus grand et apparent. Ainsi, la présente invention procure une structure de butée segmentée, pour un trépan de forage à molettes, qui possède une large plage de paramètres de fonctionnement et présente une dureté élevée et un faible coefficient de frottement sur une large plage de températures de fonctionnement. I1 est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Par exemple, bien que la structure de portée segmentée décrite ci-dessus comprennent des segments en bronze d'aluminium alternés avec des segments de stellite, il est clair pour les hommes de l'art que la stellite peut être remplacée par d'autres métaux durs et le bronze d'aluminium par d'autres matières de portée. REVENDICATIONS 1. Trépan de forage à molettes du type comprenant au moins un bras (12) dirigé vers le bas, sur lequel est prévu un arbre porteur- (18) dirigé vers le bas en porteur à-f aux, et une molette de coupe (30) montée en rotation sur l'arbre porteur par l'intermédiaire de moyens de portée radiale et de moyens de portée axiale, caractérisé en ce que les moyens de portée axiale comprennent une surface de butée (58) relativement plane et à segments multiples, cette surface multi-segmentée comportant au moins deux segments de compositions métalliques différentes, l'un de ces segments (60) étant une composition métallique de faible coefficient de frottement à basse température et l'autre segment (62) étant une composition métallique de faible coefficient de frottement à haute température. 2. Trépan suivant la reveridication i, caractérisé en ce que la composition métallique pour basse température est un bronze d'aluminium et la composition métallique pour haute température est un alliage de type stellite. 3. Trépan suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la composition de bronze d'aluminium comprend environ 15 % en poids d'aluminium, environ 4 % en poids de fer, le complément étant du cuivre. 4. Trépan suivant la revendication 2 ou 3, carac térisé en ce que la composition de stellite comprend environ 2,3 z de carbone, environ 30 z de chrome, environ 12 % de tungstène, le complémentétant du cobalt. 5. Trépan suivant une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface multi-segmentée comprend au moins quatre segments alternés fixés à une surface de butée dans la molette. 6. Trépan suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qué la surface multi-segmentée comprend au moins quatre segments alternés fixés à une surface de butée sur l'arbre porteur. 7. Structure de portée, utilisable dans une butée située entre les surfaces de poussée longitudinale dans un trépan de forage à molettes, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de segments (60,62)alternés d'au moins deux compositions métalliques différentes, la première de ces compositions métalliques ayant de bonnes caractéristiques de fonetionnement à faible température et la deuxième de ces compositions métalliques ayant de bonnes caractéristiques de fonctionnement à température élevée. 8. Structure de portée suivant la revendication 7, caractérisée en ce que la première composition métallique est un bronze d'aluminium et la denxième composition métallique est un alliage de type stellite. 9. Structure de portée suivant la revendication 8, caractérisée en ce que la composition de bronze d'aluminium comprend environ 15 % en poids d'aluminium, ènviron 4 z en poids de fer, le complément étant du cuivre. 10. Structure de portée suivant la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que la composition de stellite comprend environ 2,3 % de carbone, environ 30 % de chrome, environ 12 8 de tungstène, le complément étant du cobalt.