Brevet FR2538441A1 — publié le 19840629

La présente invention, concernant des forages, est plus spécifiquement relative à un trépan de forage utilisable dans une machine de forage pour forer des puits de pétrole, des puits géothermiques ou d'autres trous dans le sol et à une machine pour percer des tunnels; plus particulièrement, dans le cas présent, le trépan de forage est fixé à l'extrémité d'une tige de forage insérée dans le sous-sol qui est mise en rotation par la tige de forage de façon à forer un trou et est retiré avec la tige de forage hors du trou foré. Les figures 1 et 2 des dessins annexés mon- trent un trépan de forage classique Ce trépan comprend un corps de coupoirs 1 destiné à être relié à une tige de forage, une multiplicité de (c'est-à-dire deux, trois ou quatre) branches 2 de coupoirs de dimensions identi- ques qui sont solidaires du corps de coupoirs 1 et qui font saillie vers l'avant sur les côtés du corps de coupoir S de façon symétrique par rapport à un axe cen- tral 0-du corps de coupoirs et une multiplicité de cou- poirs roulants 4, 5, 6 montés avec possibilité de rota- tion respectivement sur les branches 2 de coupoirs en contact intime mutuel par des arbres radiaux 3 faisant saillie obliquement vers l'avant à partir des branches de coupoirs 2 vers l'axe central O du corps de coupoirs 1 Les coupoirs roulants 4, 5, 6 ont une forme exté- rieure conique identique et comportent des bouts rap- portés en forme de lames 4 a, 4 b, 5 a, 5 b,, montés sur leurs faces coniques et présentant des bords de forage se recouvrant partiellement, mais dont la plus grande partie de leurs portions est disposée de façon alternée les unes avec les autres Lorsque les coupoirs roulants 4, 5, 6 sont amenés à tourner autour de l'axe central O de la tige de forage, tout en étant poussés contre le fond d'un trou en cours de forage, les cou- poirs roulants 4, 5, 6 roulent sur le fond du trou en tournant respectivement autour des arbres inclinés 3. Les lames d'extrémité 4 a, 4 b, 5 a, 5 b, des cou- poirs roulants 4, 5, 6 ont leurs extrémités de bouts rapportés alignées de façon à coopérer les unes avec les autres pour découper une surface s'étendant pra- tiquement normalement à l'axe central O du corps de coupoirs 1 afin de ne pas laisser subsister de parties non coupées sur le fond du trou. Plus spécifiquement, le coupoir roulant 5 comporte une multiplicité de lames d'extrémité 5 a fai- sant saillie radialement vers l'extérieur à partir d'une surface circonférentielle autour d'un axe central S du coupoir 5 et disposées suivant un arrangement an- nulaire, en étant écartées à des intervalles réguliers. De même le coupoir roulant 5 comporte des lames d'ex- trémité 5 b, 5 c, disposées suivant des arrangements an- nulaires sur des surfaces circonférentielles différen- tes Les coupoirs roulants 4, 6 portent également des lames d'extrémité 4 a, 4 b, 4 c, 6 a, 6 b, 6 c qui sont dis- posées de manière similaire Les lames d'extrémité 4 a, 4 b, 5 a, 5 b, 6 a, 6 b, sont positionnées relative- ment les unes par rapport aux autres de façon à décrire des cercles concentriques de même diamètre ou de dia- mètre différent lorsque le trépan de forage est amené à tourner autour de l'axe central 0 comme on voit sur la figure 3, en laissant des marques de découpe concen- triques sur le fond du trou foré par le trépan Les la- mes d'extrémité sont également positionnées relative- ment de façon que le fond du trou foré soit sensiblement plan comme on voit sur la figure 4. Ayant ainsi défini l'arrière-plan technologi- que de l'invention, on exposera maintenant en quoi celle-ci réside. Quand on veut creuser dans une masse de roche, la roche est fendue le long d'une fente pratiquée sous un angle sensiblement fixe par rapport à un plan perpendicu- laire à la direction dans laquelle la roche est soumise à la pression L'angle K de la fente est particulier pour le type de roche considéré et il est généralement compris entre 30 et 450 suivant l'angle-de friction in- terne En admettant qu'une surface de roche en gradins telle qu'indiquée par la ligne en trait plein de la figure 5 puisse être forée jusqu'à la profondeur indi- quée par des lignes en pointillé parallèles à la ligne en trait plein, tandis que le trépan de forage fait une révolution, la roche peut être brisée comme il est re- présenté par les lignes en pointillé inclinées sous la force avec laquelle les coupoirs roulants sont poussés contre la roche en laissant le gradin de roche plus haut que la profondeur pouvant être découpée par une seule révolution du trépan de forage. En conséquence un objet de la présente inven- tion consiste à réaliser un trépan de forage comportant des lames de bouts rapportés pour forer un trou, tout en laissant sur son fond des nervures plus hautes que la profondeur que le trépan peut découper au cours d'une révolution de celui-ci, avec une possibilité de forage résultante meilleure que celle correspondant à une dé- coupe plane du fond du trou comme illustré sur la figure 4. Conformément à la présente invention, un trépan de forage pour forer un trou dans le sol comporte un corps de coupoirs qui comporte une extrémité pour l'attache à une tige de forage, une multiplicité d'arbres radiaux montés sur une extrémité opposée dudit corps de coupoirs et s'écartant de ladite extrémité opposée, en étant diri- gés vers un axe central dudit corps de coupoir sous un certain angle par rapport à lui, une multiplicité de cou- poirs roulants montés avec possibilité de rotation res- pectivement sur lesdits arbres, pour forer un trou dans le sol Les coupoirs roulants supportent sur eux une mul- tiplicité de lames d'extrémité pour laisser des nervures sur le fond du trou Les arêtes présentent des hauteurs plus grandes que la profondeur que lesdits coupoirs roulants peuvent découper pendant une révolution du trépan de forage. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, ainsi que d'autres, de la présente inven- tion deviendront plus apparents par la description ci-après, prise en conjonction avec les dessins an- nexés dans lesquels on a représenté, à titre d'exem- ple seulement, des modes de réalisation préférés de la présente invention. Parmi ces dessins on voit sur la figure 1, une vue en élévation la- térale et partiellement en coupe longitudinale, d'un trépan de forage classique; sur la figure 2, une vue schématique du trépan de forage représenté sur la figure 1, cette vue montrant des coupoirs roulants, vus du dessus sur la figure 3, une vue en plan du fond d'un trou foré par le trépan de la figure 1; sur la figure 4, une coupe longitudinale du trou représenté sur la figure 3; sur la figure 5, un schéma illustrant les principes de l'opération de forage au moyjen d'un trépan de forage selon la présente invention; sur la figure 6 en a), b) et c), des vues schématiques fragmentaires de trois coupoirs roulants montés sur le trépan de forage de l'invention et sur la figure 6 en d), on voit en outre une coupe trans- versale fragmentaire du fond d'un trou foré par les trois coupoirs roulants de la figure 6 en ai b et c et sur la figure 7, une coupe longitudinale fragmentaire du fond d'un trou foré par un trépan de forage selon un autre mode de réalisation de la présente invention. Des modes de réalisation de l'invention seront maintenant décrits. Un trépan de forage selon la présente inven- tion, servant à forer un trou dans le sol, comprend trois coupoirs roulants 4, 5, 6, représentés respecti- vement en a), b), c-) sur la figure 6 Les coupoirs rou- lants 4, 5, 6 comportant respectivement'des lames d'ex- trémité 4 a, 5 a, 6 a, formant bouts rapportés, qui décri- vent des trajets circulaires de même rayon, égal au- bord circonférentiel extérieur d'un trou en cours de forage et des lames d'extrémité respectives 4 d, 5 c, 6 d, qui décrivent des trajets circulaires de même rayon, proches du centre du trou, ces lames d'extrémité 4 a, 5 a, 6 a, 4 d, 5 c, 6 d ayant la plus grande hauteur Le coupoir roulant 6 inclut également une lame d'extrémité 6 c ayant la même hauteur que celle des lames d'extrémité 6 a, 6 d de façon à décrire un trajet circulaire ayant un rayon moitié de celui du trajet circulaire tracé par la lame d'extrémité 6 a De plus le coupoir roulant 6 com- porte une lame d'extrémité 6 b située au voisinage de la lame d'extrémité 6 a de façon à découper une surface de fond du trou située radialement juste à l'intérieur de la lame d'extrémité 6 a, la lame d'extrémité 6 b présen- tant une plus faible hauteur que celle de la lame d'ex- trémité 6 a, c'est-à-dire à l'endroit d'un gradin plus haut que la profondeur de découpe du trépan de forage pendant une révolution de celuici Le coupoir roulant 4 inclut une lame d'extrémité 4 c, disposée au voisinage de la lame d'extrémité 4 d, de façon à découper une sur- face de fond de trou située radialement juste vers l'ex- térieur par rapport à la lame d'extrémité 4 d et une la- me d'extrémité 4 b ayant une hauteur plus petite que celle de la lame d'extrémité 4 c, c'est-à-dire à l'endroit d'un gradin plus haut que la profondeur que le trépan de fora- ge peut découper au cours d'une révolution de celui-ci de façon à découper une surface de fond de trou située entre les lames d'extrémité 6 b, 6 c Le coupoir roulant comporte une lame d'extrémité 5 b ayant la même hauteur 2538-44 Â que celle de la lame d'extrémité 4 b de façon à découper une surface de fond de trou située entre les lames d'ex- trémité 4 c, 6 c. Le fond d'un trou foré par les coupoirs rou- lants 4, 5, 6 est représenté en section transversale sur la figure 6 en d), la vue représentant seulement la par- tie du fond qui part du centre du trou et qui va jusqu'à un bord circonférentiel extérieur de celui-ci L'inter- valle vertical représenté entre la position en pointillé et la position en trait plein correspond à la profondeur qui peut être découpée par une révolution du trépan de forage Les nervures formées sur le fond par les coupoirs roulants ont des hauteurs plus grandes que cette profon- deur Ceci fait que le fond du trou est écrasé ou rompu sous la force avec laquelle le trépan de forage est poussé contre le fond du trou, en plus de la découpe effectuée par les poussoirs roulants. Lorsqu'il y a des nervures en forme de gradins formées sur le fond du trou comme il est représenté sur la figure 6 en d), les nervures sont cassées d'un côté seu- lement dans la direction allant vers une extrémité basse des gradins Mais, comme la nervure la plus en saillie est coupée des deux côtés comme il est représenté sur la figure , les coupoirs peuvent comporter des lames d'extrémité disposées de façon à laisser un fond de trou ayant une section transversale en dents de scie comme il est repré- senté sur la figure 7 pour briser des deux côtés chaque arête Pour réaliser l'égalisation de l'application des forces depuis les pieux de forage, jusqu'aux coupoirs roulants, il est nécessaire que chaque coupoir soit équipé d'au moins une série de lames d'extrémité en saillie maxi- male et que le nombre de séries de lames d'extrémité soit autant que possible le même pour chaque coupoir roulant; Comme la vitesse à laquelle un trépan de forage peut forer une rochedépend de la dureté de la roche, il s'ensuit qu'on utilise des trépans de forage différents, ayant des dimensions et hauteurs variées pour les lames d'extrémité, en fonction de la nature des roches à forer. Les dimensions et hauteurs des coupoirs roulants et les différences entre les hauteurs des coupoirs roulants sur le trépan de forage selon la présente invention doivent être choisies pour bien s'adapter à la duretéde la roche qu'il doit forer. Bien que certains modes de réalisation préfé- rés aient été représentés et décrits, on doit comprendre que de nombreuses modifications et changements peuvent leur être apportés sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 Trépan de forage du sol, comprenant (a) un corps de coupoir comportant une extré- mité servant à l'attache à une tige de forage; (b) une multiplicité d'arbres radiaux montés sur une extrémité opposée dudit corps de coupoir et s'écartant de ladite extrémité opposée vers un axe central dudit corps de coupoir sous un certain angle par rapport à celui-ci; et (c) une multiplicité de coupoirs roulants, montés avec possibilité de rotation respectivement sur lesdits arbres, pour forer un trou dans le sol, lesdits coupoirs supportant sur eux une multiplicité de lames d'extrémité rapportées pour laisser des arêtes sur le fond du trou, les dites arêtes ayant des hauteurs plus grandes que la profondeur que lesdits coupoirs peuvent découper pendant une révolution du trépan de forage. 2 Trépan de forage du sol selon la revendica- tion 1, dans lequel chacun desdits coupoirs roulants com- prend au moins une série de lames d'extrémité ayant une hauteur plus grande que celle des autres lames d'extré- mité. 3 Trépan de forage du sol selon la revendi- cation 1, dans lequel chacun desdits coupoirs roulants comporte les séries de lames d 9 extrémité ayant trois -hauteurs différentes. 4 Trépan de forage du sol selon la revendi- cation 2, dans lequel ladite série de lames d'extrémité est prévue par paires dont l'une se trouve sur une sur- face circonférentielle extérieure de chacun desdits cou- poirs roulants et l'autre, sur une surface circonféren- tielle intérieure de ceux-ci, au voisinage dudit axe central. 5 Trépan de forage du sol selon la revendi- cation 2, dans lequel les autres lames d'extrémité sont 2538 + 44 disposées radialement entre lesdites séries de lames d'extrémité sur lesdites surfaces circonférentielles extérieure et intérieure. 6 Trépan de forage du sol selon la revendi- cation 2, dans lequel l'un desdits poussoirs roulants comporte une série supplémentaire de lames d'extrémité ayant une hauteur égale à ladite hauteur et disposées radialement en position intermédiaire entre lesdites séries de lames d'extrémité sur lesdites surfaces cir- conférentielles extérieure et intérieure. 7 Trépan de forage du sol selon la revendi- cation 1, dans lequel chacun desdits poussoirs roulants comporte des séries de lames d'extrémité ayant deux hauteurs différentes et disposées de façon qu'elles pro- duisent un fond de trou présentant une section transver- sale en dents de scie.