Brevet FR2530722A1 — publié le 19840127

La présente invention, concernant des sondages, est plus spécifiquement relative à l'extrémité coupante, soit d'un système de forage pour des sondages pétrolifè- res ou géothermiques, soit d'un système de forage de tun- nel et, plus particulièrement encore, à un trépan devant être utilisé avec un système de forage, qui est construit de façon qu'il puisse être fixé au côté extrême du sous- sol d'une tige de forage et inséré profondément dans le terrain, de sorte qu'il peut excaver la terre, lorsque la tige de forage est mise en rotation, et être remonté sur le sol conjointement avec la tige de forage. Dans l'art antérieur tel que représenté sur la figure 1, un trépan équipé d'un couteau tournant est-cons- truit de façon qu'un corps de couteau 1, formé de façon à pouvoir 9 tre attachér à une tige de forage, présente son côté faisant saillie vers l'avant sous la forme de deux ou plusieurs branches de couteaux 2 de m Ame grandeur, qui sont établies solidaires du corps de couteaiu 1 et disposées symétriquement par rapport à l'axe central, de façon que les branches de couteaux 2 soient conformées à leurs ex- trémités avec des paliers 3 faisant saillie vers l'avant sous une inclinaison dirigée vers l'axe central du corps de couteau 1 et de façon que des couteaux 4 de même diamè- tre soient supportés avec possibilité de rotation sur les paliers 3 au voisinage l'un de l'autre, ce qui fait que ces couteaux 4 découpent le fond d'un trou en forme de surface plate continue. Lors de la conception de l'invention on a remar- qué que, comme le trépan tourne sur l'axe central de la ti- ge de forage, la vitesse de rotation d'un couteau dans la partie centrale d'un trou est plus faible que celle dans la partie circonférentiellee de sorte que le travail de fo- rage pouvant être réalisé par le trépan de l'art antérieur est limité par le débit de découpe dans la partie centrale du trou C'est pourquoi on a compris que si la partie cir- conférentielle, présentant une plus grande vitesse, est fo- rée d'avance dans une région annulaire, la partie centrale subsistante, formant un noyau, peut être facilement écra- sée parce qu'elle fait saillie au centre, de sorte que le débit de forage peut être augmenté La présente invention offre un mode de réalisation dans lequel la conception technique qui vient d'être spécifiée est réalisée avec un trépan comportant un couteau rotatif. En conséquence, un objet de la présente inven- tion consiste à réaliser un trépan de sous-sol ou de fora- ge, qui est capable d'avoir un fonctionnement de forage remarquablement efficace, tout en allongeant la durée de vie de ses couteaux. Conformément à une caractéristique de la présen- te invention on réalise un trépan de forage qui comprend: un mécanisme de forage central monté sur la deuxième ex- trémité (ou extrémité inférieure) d'un corps de couteau, formé de façon que la première de ses extrémités (ou ex- trémité supérieure) puisse s'adapter dans une tige de fo- rage; une multiplicité de branches de couteaux, rendues solidaires avec ledit corps de couteau de manière à faire saillie, à partir du c 8 té dudit corps de couteau, vers l'avant dudit mécanisme de forage central; des paliers formés sur les extrémités menantes respectives desdites branches de couteaux, de façon à faire saillie sous une certaine inclinaison vers l'axe central dudit corps de cou- teau:; et des couteaux extérieurs, montés avec possibili- té de rotation sur lesdits paliers,pour forer la partie circonférentielle se trouvant autour de la partie du trou de forage qui doit être forée par ledit mécanisme de fora- ge central, lesdites branches de couteaux étant formées de façon que les intersections entre les axes centraux des- dits paliers et l'axe central dudit corps de couteau soient situées en un m 8 me point, lesdits couteaux exté- rieurs étant composés d'au moins l'un de plusieurs groupes dont chacun comporte des éléments à contour identique, qui sont disposés avec équidistance sur l'axe central dudit corps de couteau: O L'invention sera mieux expliquée et comprise par la description ci-après de modes de réalisation de l'in- vention, donnés à titre d'exemple non limitatif, avec ré- férence aux dessins, parmi lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale montrant un trépan de forage équipé de couteaux tournants selon l'art antérieur; la figure 2, une coupe longitudinale montrant une partie de la forme fondamentale du trépan de forage selon la présente invention; la figure 3, une coupe longitudinale montrant un autre mode de réalisation du trépan de forage selon la pré- sente invention; la figure 4, une coupe longitudinale montrant un autre mode de réalisation d'un couteau central; la figure 5, une coupe longitudinale, montrant encore un autre mode de réalisation du trépan de forage se- lon la présente invention; la figure 6, une coupe montrant le fond du trou qui a été excavé par les trépans de forage représentés sur les figures 2 à 5; la figure 7, une coupe longitudinale montrant un autre mode de réalisation du trépan de forage selon la pré- sente invention et la figure 8, une coupe montrant le fond du trou qui a été excavé par le trépan de forage représenté sur la figure 7. Le trépan del forage de la présente invention sera décrit, en ce qui concerne sa construction fondamentale, avec référence à la figure 2 Un corps de couteau 1 a l'une de ses extrémités filetée extérieurement, de sorte qu'on peut la visser dans une tige de forage Dans le cen- tre de l'autre extrémité du corps de couteau 1 on visse un arbre de maintien de couteau 9 comportant une extrémité en saillie, dans laquelle un couteau central 10 est mainte- nu fixé Le corps de couteau 1 y est formé avec un canal à eau 11 qui communique avec la tige de-forage Le canal à eau 11 communique avec l'intérieur de l'arbre 9 maintenant le couteau et aussi avec un orifice de sortie d'eau 12 qui débouche sur le côté du couteau central 10 On a formé, solidairement avec le côté du corps de couteau 1, une mul- tiplicité de branches de couteaux 2 qui font saillie à partir de lui vers l'avant du couteau central 10 Bien qu'on n'en ait représenté qu'une, les branches de couteaux 2 sont au nombre de deux ou plus, avec une même dimension, et sont disposées de façon équidistante autour de l'axe central A du corps de couteau 1 Aux extrémités menantes respectives des branches de couteaux 2 des paliers 3 sont formés et font saillie respectivement vers l'avant, sous une certaine inclinaison vers l'axe central A du corps de couteau 1, de façon que les intersections entre les axes centraux B des paliers 3 et l'axe central A du corps de couteau 1 se situent en un même point Sur les paliers 3 sont montés, avec possibilité de rotation, des couteaux extérieurs 4 à contour identique, pour découper la partie circonférentielle se trouvant autour de la partie à décou- per par le couteau central 10, qui sont équipés de paliers à rouleaux 5 et de paliers à billes 6 supportant ces cou- teaux 4 Le repère 7 désigne des trous de guidage de bil- les,qui sont ménagés entre les couteaux extérieurs 4 et les paliers 3 pour recevoir les paliers à billes 6 Le repère 8 désigne des goujons servant à boucher ces trous 7 de gui- dage de billes, après que les paliers à billes 6 aient été insérés au travers des trous 7. Lorsque le dispositif de découpe-ainsi construit tourne en étant actionné, à partir du sol, par la tige de forage pour excaver la terre, le fond d'un trou foré 13 présente une section telle que celle représentée sur la fi- gure 6 Spécifiquement, la circonférence extérieure du fond du trou 13 est découpée d'avance avec une forme annulaire par l'effet des couteaux extérieurs 4 Une rainure annulai- re 14 est formée par ces actions de découpe, tout en lais- sant un noyau 15 en forme de colonne à son centre Comme le noyau 15 a son c 8 té ouvert, il peut être facilement écrasé à partir de sa face de dessus 16 par l'action du couteau central 10 Par conséquent, en utilisant le trépan de forage de la présente invention, le débit de forage peut être accru à une plus grande valeur que celle qu'on peut obtenir par l'opération de forage utilisant le trépan classique repré- senté sur la figure lo Un autre mode de réalisation, représenté sur la figure 3, est tout à fait semblable à celui de la figure 2, sauf en ce qui concerne la partie du couteau central qui est établie pour pouvoir tourner Plus spécifiquement la saillie de l'arbre 9 de maintien du couteau à partir du corps de couteau 1 est formée avec un palier 17 dont l'axe central G est incliné par rapport à l'axe central A du corps de couteau: 1; sur ce palier un couteau central 18 est monté de manière à tourner tout autour O Incidemment, la disposition du couteau central 18 ne doit pas être limitée à celle prévue sur l'axe cen- tral A du corps de couteau 1, mais peut 8 tre établie de façon que le couteau central 18 soit disposé excentrique- ment, comme il est représenté sur la figure 4, avec peu de différence quant aux effets. Ensuite la figure 5 montre encore un autre mode de réalisation de la présente invention, ayant une struc- ture semblable à celle des modes de réalisation précédents, sauf que le couteau central 10 ou 18 et l'arbre 9 de main- tien du couteau sont remplacés par une buse centrale Spé- cifiquement la partie creuse 19, destinée à l'eau sous for- te pression, du corps de couteau 1 a son autre extrémité fermée et conformée avec une multiplicité d'orifices de buse centrale 21 pour injecter de l'eau sous pression éle- vée, afin de désagréger la terre, de façon à établir des communications entre l'intérieur et l'extérieur du corps de couteau_ 1. La description précédente est relative à la forme fondamentale du trépan de forage de la présente invention, qui est équipée d'un groupe de branches de couteaux multi- ples et identiques comportant des couteaux identiques Dans un trépan de forage prévu pour un grand diamètre de trou à forer, tel que représenté sur la figure 7, deux groupes de branches de couteaux 2 ' et 2 ", dans lesquels les rayons de découpe aussi bien que les distances, par rapport au cou- teau central 10 ou 18 ou par rapport aux orifices de buse centrale 21, des intersections entre les axes centraux B des paliers 3 et l'axe central A du corps de couteau 1, sont graduellement accrus et sont disposés progressive- ment conformément à la distance par rapport au couteau central 10 ou 18 ou par rapport aux orifices de buse cen- trale 21, dans l'ordre depuis le groupe présentant les distances minimales parmi ces distances et les rayons ma- ximaux pour le groupe de ces rayons Alors la section du fond du trou foré par le trépan ci-dessus spécifié prend une forme telle que son centre soit élevé par échelons comme on voit sur la figure 8 Le repère 14 désigne la par- tie de la rainure annulaire qui est découpée par le groupe des branches de couteaux présentant des maximums pour les distances et rayons ci-dessus mentionnés Le repère 22 dé- signe la partie découpée par échelons qui est découpée par le groupe des branches de couteaux présentant des minimums pour les distances et rayons ci-dessus mentionnés. Ainsi, en prévoyant des groupes multiples de branches de couteaux, tout trou ayant un grand diamètre peut être facilement découpé et le débit de forage peut être monté à un niveau supérieur à celui de l'art anté- rieur Dans ce cas, le couteau central 18 peut être formé d'un seul élément et 9 tre disposé de façon inclinée et con- centrique par rapport à l'axe central A du corps de cou- teau ou dans une situation inclinée et excentrée par rap- port à l'axe central A En outre on peut disposer une mul- tiplicité de couteaux centraux, de façon à incliner leurs axes par rapport à l'axe central A du corps de couteau Dans le trépan de forage de la présente inven- tion, la raison pour laquelle les branches de couteaux res- pectives, appartenant à un groupe, sont disposées avec sy- métrie par rapport à l'axe central du corps de couteau con- siste à assurer un équilibre autour du centre de rotation. Si le centre de gravité est excentré, des fluctuations des rotations apparaissent pour pousser le trépan ou la tige de forage en l'amenant en contact avec la paroi du trou, de sorte que la force de rotation transmise à partir du sol est freinée Il en résulte que le trépan ou la tige de fo- rage s'use de manière déséquilibrée et que la durée d'usa- ge des couteaux est raccourcie* REVENDICATIONS 1 Trépan de forage,caractérisé en ce qu'il com- prend: un moyen de forage central ( 10,18) monté sur l'ex- trémité inférieure d'un corps de couteau, qui est formé de façon que son extrémité supérieure puisse s'adapter dans une tige de forage; une multiplicité de branches de couteaux ( 2) rendues solidaires dudit corps de couteau de façon à faire saillie, à partir du côté dudit corps de couteau, vers l'avant dudit moyen de forage central; un O 10 dispositif de palier ( 5,6) formé sur les extrémités menan- tes respectives desdites branches de couteaux de manière à faire saillie sous une certaine inclinaison vers l'axe cen- tral dudit corps de couteau; et des couteaux extérieurs ( 4) montés avec possibilité de rotation sur ledit disposi- tif de palier pour forer la partie circonférentielle se - trouvant autour de la partie qui doit 9 tre forée par ledit moyen de forage central, lesdites branches de couteaux étant formées de façon que les intersections entre les axes centraux dudit dispositif de palier et l'axe central dudit corps de couteau soient situées en un même point, lesdits couteaux extérieurs étant composés d'au moins l'un de plu sieurs groupes dont chacun comprend des éléments composants. qui ont un contour identique et qui sont disposés de manie- re équidistante sur l'axe central dudit' corps de couteau*-*-, 2; Trépan de forage selon la revendication l, ca- ractérisé en ce que lesdites branches de couteaux ( 2) sont- groupées en une multiplicité de groupes-dans lesquels les rayons de découpe et les distances entre ledit moyen de fo rage central et les intersections entre les axes centraux dudit dispositif de palier et l'axe central dudit corps de couteau sont graduellement accrus et sont disposés gra duellement, en accord avec la distance par rapport audit moyen de forage central, dans l'ordre du groupe présentant les minimums desdites distances et desdits rayons par rap port au groupe ayant ces distances et rayons maximauxo 3 Trépan de forage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit moyen de forage central inclut un couteau ( 10, 18) monté sur un arbre ( 9) de maintien de couteau qui s'adapte dans l'extrémité inférieure dudit corps de couteau-. 4 Trépan de forage selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que ledit couteau est fixé sur ledit ar- bre de maintien du couteau. Trépan de forage selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que ledit couteau est monté de façon qu'il puisse tourner autour d'un palier qui est formé dans ledit arbre de maintien de couteau de façon à avoir un axe cen- tral (C) incliné par rapport à l'axe central dudit corps de couteau 6 Trépan de forage selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit couteau est monté de façon qu' il puisse tourner autour d'un palier qui est formé, dans ledit arbre de maintien de couteaux, de façon excentrée par rapport à l'axe central dudit corps de couteau (figure 4). 7 Trépan de forage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit moyen de forage central in- clut une partie creuse ( 19) pour contenir de l'eau sous pression élevée formée dans ledit corps de couteau et une multiplicité-d'orifices ( 21) de buse centrale ( 20) formés dans la face d'extrémité fermée à- l'extrémité inférieure dudit corps de couteau. 8 Trépan de forage, caractérisé en ce qu'il com- prend: un corps de couteau: ( 1) formé de façon que son ex- trémité puisse s'adapter dans une tige de forage, un cou- teau central ( 10,18) monté sur l'autre extrémité dudit corps de couteau:; une multiplicité de branches de couteaux ( 2) rendues solidaires dudit corps de couteau de façon à faire saillie, à partir du côté dudit corps de couteau, vers l'avant dudit couteau central; des paliers ( 5,6) formés sur les extrémités menantes respectives desdites branches de couteaux, de manière à faire saillie sous une certaine inclinaison vers l'axe central dudit corps de couteau,; et des couteaux extérieurs ( 4) montés avec possibilité de rota- tion sur lesdits paliers pour forer la partie circonféren- tielle du trou de forage autour de la partie qui doit être forée par ledit couteau central, lesdites branches de cou- teaux étant formées de façon que les intersections entre les axes centraux desdits paliers et l'axe central dudit corps de couteau soient situées en un même point, les- dits couteaux extérieurs étant composés d'au moins l'un de plusieurs groupes dont chacun comporte des éléments compo- sants qui ont un contour identique et qui sont disposés de façon équidistante sur l'axe central dudit corps de cou- teau:. 9 Trépan de forage, caractérisé en ce qu'i Ucom- prend: un corps de couteau ( 1) creux, formé de façon que son extrémité puisse s'adapter d'une manière à communiquer dans une tige de forage; un orifice de buse ( 20) central, formé dans l'autre extrémité fermée dudit corps de cou- teau: de façon à établir une communication entre l'inté- rieur et l'extérieur dudit corps de couteau; une multi- plicité de branches ( 2) de couteaux, rendues solidaires du- dit corps de couteau:, de façon à faire saillie à partir du c 8 té dudit corps de couteau vers l'avant de l'autre face d'extrémité dudit corps de couteau; des paliers ( 5,6) formés sur les extrémités menantes respectives desdites branches de couteaux, de manière à faire saillie sous une certaine inclinaison vers l'axe central dudit corps de cou- teau; et des couteaux extérieurs montés avec possibilité de rotation sur lesdits paliers pour forer la partie cir- conférentielle autour de la partie qui doit être forée par ledit orifice de buse central, lesdites branches de cou- teaux étant formées de façon que les intersections entre les axes centraux desdits paliers et la ligne centrale du- dit corps de couteau soient placées en un même point, les- dits couteaux extérieurs étant composés d'au moins l'un de plusieurs groupes dont chacun comporte des éléments compo- sants qui ont un contour identique et qui sont disposés de façon équidistante sur l'axe central dudit corps de couteau-.