Brevet FR2538442A1 — publié le 19840629

La présente invention concerne les taillants pour foration rotative assistée par jet et vise plus particulièrement l'optimisation de leur géométrie. Ainsi qu'on le sait un taillant est un outil de mine que l'on monte au bout d'une tige de foration entraînée en rotation et qui est destiné, grâce à des arêtes vives ménagées sur son front d'attaque, à mordre et à pénétrer dans une roche, parallèlement à son axe de rotation Ces arêtes vives sont généralement consti- tuées par des plaquettes de dureté élevée, en carbure de tungstène le plus souvent, rapportées par brasage; on précise parfois alors qu'il s'agit d'un taillant à mises rapportées. De tels taillants sont utilisés en pratique dans la foration de roches relativement tendres et peu abrasives Pour des roches plus dures et/ou plus abra- sives, il a bien été proposé de recourir à la foration roto-percutante, avec effet de frappe, mais celle-ci s'est révélée présenter de graves inconvénients dans la mesure o, outre qu'elle conduit à des co ts d'installation très élevés, elle provoque l'apparition de bruits, de vibra- tions et de vapeurs d'huile fort préjudiciables au respect des règles d'ergonomie, voire même de sécurité. Une autre solution a cependant été proposée récemment pour la foration des roches semi-dures (pression supérieure ou égale à 800 bars environ), dures et abra- sives, qui semble promise à un grand avenir: la foration rotative assistée par jet. Ce procédé consiste à entraîner un taillant en simple rotation, sans effet de frappe, en injectant, à proximité de ses arêtes vives de taille, un fluide à très haute pression qui fracture la roche et facilite donc l'abattage de celle-ci par le taillant. La mise en oeuvre de ce procédé a soulevé cer- taines difficultés liées à l'amenée, au travers de la tige de foration et du taillant, dudit fluide sous très haute pression, de l'eau le plus souvent Il est cependant à noter qu'il était déjà connu d'amener au niveau du taillant de l'eau ou de l'air à basse pression ( 20 à 40 bars envi- ron) pour l'évacuation des débris de foration ou d'abattage. Le brevet français N O 2 450 936 (G CAGNIONCLE), déposé le 8 Mars 1979, décrit une manière dont ces diffi- cultés ont pu être surmontées Pour la mise en oeuvre du procédé qui y est décrit il y est préconisé d'aménager au travers d'un taillant deux jeux de canaux de fluide sous pression: des canaux d'amenée de fluide basse pres- sion pour l'évacuation des débris, et des canaux beaucoup plus fins pour l'amenée de fluide sous très haute pression ( 1000 à 4000 bars) pour l'assistance de la foration propre- ment dite, débouchant au travers ou en avant des plaquettes rapportées Ce brevet décrit également tout le dispositif d'alimentation en liquide nécessaire à une telle injection de fluide sous deux pressions très différentes. Il s'avère en fait que les taillants mis en oeuvre jusqu'à présent dans le cadre d'une foration rotative assis- tée par jet ont une géométrie très voisine de celle des taillants traditionnels (sans assitance par jets). Or la Demanderesse a pu mettre en évidence, dans le cadre de ses recherches, que le fait d'assister par jets la foration rotative permettait de revoir complètement la géométrie des taillants à mettre en oeuvre. La présente invention vise ainsi une nouvelle géométrie de taillant conduisant à des performances supé- rieures à celles des taillants actuellement connus pour un moindre coût de fabrication. Elle propose à cet effet un taillant pour fora- tion rotative assistée par jet, destiné à être monté au bout d'une tige d'entraînement en rotation, du genre com- portant, à l'opposé de ladite tige, une pluralité de pla- quettes de foration présentant des arêtes d'attaque en saillie radiale et axiale et séparées angulairement par des rampes d'évacuation de débris, des canaux d'amenée de fluide sous pression débouchant à proximité desdites pla- quettes, caractérisé en ce que les plaquettes ont une faible dimension radiale et sont disposées autour d'un éclateur central au travers d'une couronne périphérique discontinue prolongeant axialement ledit taillant, laquelle couronne est traversée par lesdits canaux d'amenée de fluide. Une telle géométrie de taillant se différencie très nettement des géométries actuellement connues En effet les taillants de l'art antérieur sont généralement compacts et massifs; ils comportent des plaquettes dont la dimension radiale est à peine inférieure au plus grand rayon du taillant, de manière à forer une roche sur pra- tiquement toute la section du taillant Compte tenu de leur taille, ces plaquettes subissent en cours de rota- tion des contraintes importantes auxquelles elles ne peuvent résister qu'à condition d'être en appui sur une masse importante de métal En pratique ces plaquettes sont supportées par des bras hélicoïdaux obtenus par forgeage, ou alors sont enserrées dans des encoches ménagées dans un taillant massif tel qu'en représente le brevet 2 450 936 précité. Un taillant selon l'invention se révèle par contre conduire à la mise en oeuvre de plaquettes plus petites adaptées à exercer par leurs arêtes en saillie axiale, pour une même poussée axiale, des contraintes de pénétration bien plus élevées que dans l'art antérieur o la poussée axiale était répartie sur des arêtes radiales bien plus longues Un taillant selon l'invention permet donc la foration de roches bien plus dures que dans l'art antérieur, pouvant atteindre des pressions de 600800 bars et plus Il est à noter que grce à la présence d'un écla- teur central, qui peut être par exemple un cône, de pré- férence en précession, ou un jet de fluide sous pression, tout risque de talonnage du taillant contre une zone cen- trale de roche non abattue par les plaquettes peut être écarté. Selon une caractéristique importante de l'inven- tion les rampes d'évacuation sont rectilignes Il en résulte un abaissement sensible des coûts de fabrication des tail- lants dans la mesure o l'invention propose un taillant qui, avant le brasage des plaquettes, peut être mis en forme à l'aide d'opérations d'usinage simples et peu coûteuses telles que le tournage ou le fraisage. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard du dessin annexé sur lequel la figure 1 est une vue frontale d'un premier mode de réalisation d'un taillant selon l'invention; la figure 2 est une vue latérale du taillant de la figure 1, avec coupe partielle d'un côté de l'axe; la figure 3 est une vue frontale d'un deuxième mode de réalisation d'un taillant selon l'inventions; et la figure 4 est une vue latérale du taillant de la figure 3, avec coupe partielle d'un côté de l'axe. Tel que représenté à titre d'exemple aux figures 1 et 2, ou aux figures 3 et 4, un taillant 1 selon l'in- vention, qui présente avantageusement une symétrie axiale, comporte,de manière connue,en une de ses extrémités une jupe de fixation 11 taraudée intérieurement destinée à recevoir le bout d'une tige de foration, non représentée, destinée à entratner en rotation le taillant 1 au cours des opérations de foration. Le taillant 1 s'évase à partir de la jupe 11 en un tronçon de raccordement 12, et se termine par une ex- trémité d'attaque 13 formant corps de taillant Dans les exemples représentés, la jupe de fixation 11 et le corps 13 sont cylindriques, tandis que le tronçon de raccordement est tronconique. De manière connue, le corps de taillant 13 porte une pluralité de plaquettes 20, deux par taillant dans les exemples représentés, réparties angulairement de manière avantageusement régulière de manière à bien répartir les efforts au sein du taillant Ces plaquettes présentent des arêtes d'attaque 21 et 22 en saillie axiale et radiale. Ces plaquettes sont rapportées, de manière connue, par brasage,-et sont séparées angulairement par des rampes d'évacuation des débris d'abattage. Selon l'invention les plaquettes présentent une faible dimension radiale, de l'ordre de la moitié du rayon du corps 13 dans l'exemple représenté Elles sont disposées autour d'un éclateur central 40, au travers d'une couronne périphérique discontinue 50 prolongeant axialement le taillant 1 Des canaux 60 d'amenée de fluide sous pression, de l'eau généralement, traversent la couronne discontinue et débouchent à proximité des arêtes 21; ils sont de préférence rectilignes; ils débouchent à leur autre extré- mité à l'intérieur de la jupe 11 o ils sont alimentés en liquide au travers de la tige d'entraînement en rotation (non représentée) par un dispositif de tout type connu. Plusieurs configurations de taillants sont pos- sibles selon que, compte tenu du sens de rotation des taillants indiqué par la flèche F, les canaux 60 débouchent devant les arêtes 21, au travers des plaquettes 20, ou en arrière de celles-ci De manière à éviter toute diffi- culté d'alignement au moment du brasage des plaquettes l'invention préconise de ménager,de préférence,les canaux 60 en dehors des plaquettes 20. Il est à noter que, pour des questions de dessin, le diamètre des canaux 60 est nettement surestimé sur les figures 2 et 4 par rapport à la réalité En pratique, ces canaux sont conçus pour assurer, près des plaquettes, une injection de fluide sous haute pression pouvant aller jusqu'à 1000 bars et plus, supérieure aux pressions actuellement mises en oeuvre Le calibrage du jets ainsi injectés, voire leur orientation, est de préférence assuré par des buses d'injection 61 représentées uniquement sur les figures 2 et 4. Les figures 1 et 2 illustrent un taillant selon l'invention dans lequel les canaux 60 d'injection de fluide débouchent en arrière des plaquettes 20 associées. Ces plaquettes 20 ont une épaisseur radiale voi- sine de celle de la couronne 50 Leur section est tramé- zoldale de sorte que leur face latérale extérieure 23 est radialement en retrait par rapport à l'arête 22 et ne vienne pas en contact avec la roche, ou le matériau à forer. De même, la face frontale externe 24 de chaque plaquette est inclinée par rapport à l'axe de rotation A du taillant. De préférence, la surface transversale 51 de la couronne en arrière des plaquettes est également inclinée vers l'arrière, de manière à maintenir l'embouchure des canaux en retrait axialement vis-à-vis du front de foration de la roche De la sorte seules les arêtes des plaquettes participent à la foration. La couronne discontinue 50, après la zone trans- versale 51 o débouche au moins un canal d'amenée de fluide sous pressions'écarte de la roche à forer et se raccorde ainsi à une rampe d'évacuation 30. Ainsi qu'il ressort des figures I et 2, une telle rampe 30 est avantageusement délimitée par des surfaces rectilignes 31, 32, 33, qui peuvent aisément s'obtenir par fraisage Les rampes d'évacuation 30 se poursuivent jus- qu'à hauteur de la jupe de fixation de manière à ce que les débris puissent ensuite être évacués entre la paroi du trou foré et la jupe 11, puis la tige d'entraînement en rotation. La surface 31 de chaque rampe d'évacuation aboutit de préférence à la base de la plaquette suivante de manière à faciliter l'évacuation des débris de roches longeant la face avant de ladite plaquette depuis l'arête 21. Dans l'exemple représenté, la couronne 50 entoure un éclateur central 40 constitué par un cône 40 a pointant vers la roche à forer Pour des facilités de fabrication, ce cône est de préférence rapporté En outre, son axe est avantageusement incliné par rapport à l'axe A de rotation de manière à subir en rotation un léger mouvement de pré- cession, ce qui en augmente l'efficacité. Les figures 3 et 4 illustrent par contre un taillant selon l'invention dans lequel les canaux d'injec- tion 60 débouchent en avant des plaquettes 20; ces plaquet- tes ont une forme très voisine de celle des plaquettes des figures 1 et 2 Compte tenu de ce que les jets de fluide sont d'autant plus efficaces pour fracturer la roche qu'ils sont cohérents, ces jets débouchent de préférence à proxi- mité de la roche à forer Le corps 13 du taillant comporte en conséquence un épaulement 14 remontant axialement vers la roche devant chaque plaquette; les plaquettes sont ainsi rapportées dans des encoches ménagées axialement dans le corps 13 La surface frontale 15 des épaulements 14 dans laquelle débouche les canaux 60 est avantageusement incli- née vers l'axe de manière à bien évacuer les débris vers les rampes Cette évacuation est en outre facilitée grâce à une surface 16 de raccordement entre la surface frontale et la surface rectiligne 31 ' de ladite rampe 30 qui, comme dans l'exemple précédent, est délimitée de préférence par des surfaces 31 ', 32 ', 33 ' rectilignes. Dans l'exemple représenté aux figures 3 et 4, l'éclateur central 40 est constitué par une canalisation b d'amenée de fluide sous pression destinée à faire éclater une portion de roche non abattue par les plaquettes bien que déjà affaiblie et fracturée Ce canal 40 b est de préférence alimenté par la même source de pression que les canaux 60, de manière à simplifier la structure de la tige d'entraînement en rotation à mettre en oeuvre. Il est à noter que dans les deux exemples repré- sentés les plaquettes 20 sont disposées radialement au travers des couronnes 50, de sorte que les arêtes 21 ne sont, elles, pas radiales, et que les plaquettes présentent ainsi un coin de forage 25 relayé au cours de la foration par les arêtes 21 puis 22, Les capacités de forage d'une plaquette sont ainsi optimisées. Il va de soi que de nombreuses variantes de réalisation peuvent être proposées par l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de l'invention, lequel est défini par les revendications annexées Ainsi, le nombre des plaquettes, la position et le nombre des canaux d'injection de fluide sous pression, leur direction, les inclinaisons des diverses faces des plaquettes, de la- couronne ou des rampes, ou encore la structure de l'écla- teur central peuvent être choisis en fonction des besoins particuliers de chaque utilisateur, et de chaque matériau particulier à forer. REVENDICATIONS 1 Taillant pour foration rotative assistée par jet, destiné à être monté au bout d'une tige d'entraînement en rotation, du genre comportant, à l'opposé de ladite tige, une pluralité de plaquettes de foration présentant des arêtes d'attaque en saillie radiale et axiale et sépa- rées angulairement par des rampes d'évacuation de débris, des canaux d'amenée de fluide sous pression débouchant à proximité desdites plaquettes, caractérisé en ce que les plaquettes ( 20) ont une faible dimension radiale et sont disposées autour d'un éclateur central ( 40) au travers d'une couronne périphérique discontinue ( 50) prolongeant axialement ledit taillant' ( 1), laquelle couronne est traversée par lesdits canaux ( 60) d'amenée de fluide. 2 Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rampes d'évacuation ( 30) sont limitées par aes faces ( 31, 32, 33, 31 ', 32 ', 33 ') rectilignes. 3 Taillant selon la revendication 1 ou la reven- dication 2, caractérisé en ce qu'il présente une symétrie axiale par rapport à son axe de rotation (A). 4 Taillant selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que l'éclateur central ( 40) est un cône ( 40 a). Taillant selon la revendication 4, caractérisé en ce que le cône ( 40 a) est incliné par rapport à l'axe de rotation (A). 6 Taillant selon la revendication 4 ou la reven- dication 5, caractérisé en ce que le cône est rapporté. 7 Taillant selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que l'éclateur central ( 40) est constitué par un canal ( 40 b) d'amenée de liquide sous pression. 8 Taillant selon la revendication 7, caractérisé en ce que les divers canaux d'amende de liquide sous pres- sion ( 40 b, 60) sont alimentés par une même source de pression. 9 Taillant selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisé en ce que les plaquettes présentent un coin de foration ( 25). Taillant selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 9, caractérisé en ce que les canaux ( 60) d'amenée de fluide sous pression débouchent en avant des plaquettes ( 20) au travers d'épaulements remontant vers le matériau à forer le long desdites plaquettes.