Brevet FR2558891A1 — publié le 19850802

La présente invention concerne des taillants de foration rotative assistée par jets haute pression et vise plus précisément la géométrie et la configuration, en position et en orientation par rapport à l'axe de rotation des taillants, des canaux d'amenée de fluide d'assistance qui y sont ménagés. Ainsi qu'on le sait, un taillant est un outil de foration pour mines, carrières et travaux publics notament, que l'on pnte en bout d'une barre de perforatrice pour son entraînement en rotation autour d'un axe longitudinal et sa pénétration dans une roche selon cet axe. Il comporte à cet effet, à l'opposé de ladite barre, au moins une arete d'at- taque en saillie axiale à laquelle est associée une rampe d'évacuation de débris. Une telle arête est généralement ménagée sur une plaquette de dureté élevée, en carbure de tungstène le plus souvent, rapportée par brasage au taillant. Les trous ainsi forés sont typiquement de 20 à 200 mm de diamètre. Pour la foration de roches dures et/ou abrasives (résistance à la compression supérieure à 80 MPa environ), il a été proposé récemment, par la demande de brevet FR-2 450 336 (CAGNIONCLE) notamment, d'injecter à proximité des arêtes d'attaque en un ou plusieurs jets, un fluide à très haute pression qui fracture la roche en avant du taillant et en facilite l'abattage ultérieur par le taillant. Il s'agit couramment d'eau à une pression de l'ordre de 100 à 400 MPa. On désigne généralement ce procédé sous l'appella- tion de foration rotative assistée par jets haute pression. La mise en oeuvre de ce procédé a conduit à une remise en cause des caractéristiques structurelles des taillants connus jusque là. La demande de brevet 82.21674 déposée par les Demanderesses le 23 décembre 1982 a ainsi proposé une nouvelle géométrie de taillant selon laquelle des arêtes d'attaque sont disposées en saillie axiale vis-à-vis d'une couronne discontinue, fragmentée par des rampes d'évacuation de débris, définissant une cuvette pourvue en son fond d'un éclateur central, des canaux d'amenée de fluide d'assistance sous haute pression débouchant de la couronne à proximité des arêtes d'attaque. Cette nouvelle géométrie a permis la mise en oeuvre d'arêtes d'attaque plus courtes qu'auparavant, susceptibles de transmettre à la roche des contraintes de destruction plus élevées qu'auparavant, ce qui a conduit à des performances améliorées. Il est à noter que ces taillants améliorés comportent, comme les taillants classi- ques, des canaux d'amenée de fluide de rinçage, sous une pression de quelques MPa. Les Demanderesses ont constaté depuis que la configuration et la disposition même des canaux d'amenée de fluide d'assistance pouvait être optimisée, en sorte d'augmenter l'efficacité d'un nombre donné de canaux d'amenée, ou de réduire ce nombre pour un effet d'assis- tance prédéterminé. En effet, les canaux d'amenée contribuent à la foration d'une roche par le creusement, par les jets de fluide qu'ils produisent, de saignées dans la roche en avant des arêtes d'attaque, d'o un abaissement des caractéristiques mécaniques apparentes de cette dernière. Or, il est apparu que, les vitesses de rotation des tail- lants étant toujours nettement supérieures aux vitesses d'avance de ces derniers, chaque jet est amené à appro- fondir sa propre saignée dans la roche, jusqu'à une pro- fondeur maximale rapidement atteinte. Les Demanderesses ont ainsi constaté qu'il était possible d'augmenter l'efficacité d'un nombre donné de jets en les faisant travailler dans un nombre de saignées aussi grand que possible, en fai- sant avantageusement travailler chacun des jets dans une saignée différente. Dans le cas d'une pluralité de jeux de jets, associés chacun à une arête d'attaque, cette observation a conduit à proposer que les jeux successifs dejets (et donc de canaux d'amenée) décalés angulaire- ment présentent des configurations différentes vis-à-vis de l'axe longitudinal du taillant. En d'autres termes, 25588 91 les Demanderesses proposent de considérer les jets dans leur ensemble, quitte à les dissocier des arêtes d'attaque. L'invention propose ainsi un taillant de foration rotative assistée par jets haute pression destiné à être monté au bout d'unebarre de perforatrice pour son entraînement en rotation autour d'un axe longitudinal et sa pénétration dans une roche, du genre comportant, à l'opposé de ladite barre, au moins une arête d'attaque en saillie axiale à laquelle est associée une rampe d'évacuation de débris, en combinaison avec une pluralité d'au moins deux canaux d'amenée de fluide sous pression, destinés à être mis en communication au travers de la barre de perforatrice avec une source de fluide sous pression en vue de générer des jets d'assistance adaptés à éroder la roche en avant du taillant, répartis en une succession d'au moins deux jeux de canaux décalés angulairement dont chacun comprend au moins un canal d'amenée, ce taillant étant caractérisé en ce que la configuration des canaux d'amenée par rapport à l'axe longitudinal du taillant varie d'un jeu à l'autre. Le fait, selon l'invention, de diversifier l'action des jets d'assistance sur la roche à forer permet de réduire le nombre de jets, pour un niveau d'assistance prédéterminé, et facilite en conséquence l'obtention pour chacun d'entre eux d'une pression très élevée. Selon un mode de réalisation préféré, l'inven- tion préconise de maintenir l'association jets-arêtes d'attaque, de préférence à raison d'un jet par arête, en sorte de limiter le nombre de canaux tout en assistant individuellement chacune des arêtes. Les jets ainsi pro- duits sont de préférence convergents avec ces arêtes, en des zones respectives différentes de ces dernières. Ces jets affleurent avantageusement (sous une incidence de quelques 10 à 20 par exemple) les faces d'attaque lon- gitudinales que bordent les arêtes d'attaque pour en assurer une protection hydraulique et pour les refroidir. L'invention s'applique tout particulièrement, mais non exclusivement, au cas précité de taillants à couronne discontinue, zrec des jets d'assistance inter- cept nt la surface annulaire balayée en rotation par les arêtes d'attaque en sorte d'attaquer la roche en regard de cette couronne. D'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe axiale, selon la ligne I- I de la figure 2, d'un taillant selon l'invention; - la figure 2 est une coupe transversale, selon la ligne II-II, du taillant de la figure 1; et la figure 3 est une vue frontale, selon la flèche III, du taillant de la figure 1. Un taillant 1 conforme à l'invention, repré- senté à titre d'exemple par les figures 1 à 3, comporte, de manière connue, une jupe 2 filetée intérieurement sur une partie de sa longueur le long d'un axe Z-Z, prolongée par une tête de foration 3 de plus grand diamètre. La jupe 2 est destinée à s'engager, par vissage, sur une tige ou barre de perforatrice (non représentée) destinée à entraîner le taillant 1 en rotation autour de l'axe Z-Z. Au-delà d'une partie filetée 2a, cette jupe définit une chambre 4, dite chambre basse pression, destinée à être connectée, au travers de la barre de per- foratrice, à une source de fluide de rinçage à une pres- sion de quelques MPa (de 2 à 4 MPa par exemple). Telle que représentée, cette chambre se prolonge axialement par un goulot 5 débouchant dans une chambre 6, appelée chambre haute pression, qui, selon l'invention, est de plus grand diamètre que le goulot. Le goulot est destiné à coopérer avec un tube central de la barre de perfora- trice en sorte de mettre la chambre 6 en communication avec une source haute pression de fluide d'assistance sous une pression nettement supérieure à celle du fluide de rinçage, géné- ralement supérieure à 100 MPa. Dans l'exemple représenté, de chacune des chambres 4 et 6, part un jeu de trois canalisations 7 et 8, respectivement, qui débouchent dans la tête de foration 3 du taillant. La tête de foration se raccorde à la jupe 2 par un segment tronconique 9 dans lequel sont toutefois ménagés, de manière avantageuse, des évidements 10, au nombre de trois dans l'exemple représenté, dont le rôle apparaîtra plus loin. Ainsi qu'il ressort clairement de la figure 3, le taillant 1 comporte, à l'opposé de la jupe 2, donc à l'opposé de la barre de perforatrice, une pluralité d'arêtes d'attaque 11, trois dans l'exemple représenté, réalisées en matériaux durs tels que carbure de tungstène, diamant synthétique, etc. disposées en saillie axiale vis-à-vis d'une couronne discontinue 12, fragmentée par des rampes d'évacuation de débris 13 (une rampe pour chaque arête). Cette couronne discontinue délimite une cuvette 14 pourvue d'un fond 14a adapté à recevoir un éclateur central (non représenté) tel qu'un cône, éventuellement désaxé par rapport à l'axe Z-Z du taillant. Ce fond 14a comporte à cet effet un évidement 15, de forme cylindrique dans l'exemple considéré. De manière classique, les arêtes d'attaque 11 sont ménagées sur des plaquettes rapportées 16, unique- ment représentées sur la figure 3. Les figures 1 et 2, quant à elles, présentent le corps du taillant avant que les plaquettes 11, et l'éclateur central ne lui soient rapportés, par brasage par exemple. On notera que ces plaquettes comportent des faces d'attaque 16a sensiblement longitudinales, situées dans des plans contenant l'axe Z-Z, et qui sont bordées latéralement par des arêtes interne et externe 16b et 16c respectivement, qui sont en saillie radiale vers l'inté- rieur et l'extérieur par rapport à la couronne discon- tinue 12. Les rampes d'évacuation de débris 13 compor- tent un flanc longitudinal 13a qui prolonge la face d'attaque de la plaquette associée, et un flanc incliné 13b, sensiblement perpendiculaire au flanc 13a mais incliné par rapport à l'axe Z-Z du taillant. Ce flanc 13b se prolonge axialement jusqu'à la jupe 2. Les évidemaents 10 précités sont destinés à collaborer avec ces rampes pour faciliter l'évacuation des débris de roches et réduire le frotte- ment du taillant le long du trou foré. Ils sont ménagés perpendiculaire- ment aux flancs 13a des rampes, sous les emplacements des plaquettes. Les canaux 7 d'amenée de fluide de rinçage en provenance de la chambre basse pression 4 sont axiaux et débouchent dans les flancs inclinés 13b des rampes d'évacuation. On notera que ces canaux sont le plus possi- ble écartés de l'axe du taillant et prennent leur source dans la chambre 4 à la périphérie externe de cette dernière. Ces canaux présentent des configurations identiques par rapport à l'axe Z-Z. Il n'en est pas de même des canaux 8 provenant de la chambre haute pression 6: selon une caractéristi- que essentielle de l'invention ces canaux, décalés angu- lairement, présentent tous trois des configurations diffé- rentes, en position et en orientation, vis-à-vis de l'axe Z-Z. Dans l'exemple représenté à la figure 2, les canaux 8a, 8b et 8c, correspondant à des distances croissantes vis-à-vis de l'axe Z-Z, sont schématisés par leurs axes et leurs embouchures près des emplacements destinés à rece- voir les plaquettes. Les canaux 8a et 8c sont représentés sur la figure 1. Dans l'exemple représenté, ces canaux 8a, 8b et 8c présentent des inclinaisons de 32 , 45 et 36 respectivement. Chacun de ces canaux est associé à une-arête d'attaque; selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ces canaux sont orientés selon des directions convergeant avec les arêtes associées, ainsi qu'il ressort de la figure 3 o sont figurées par des flèches 20a, 20b et 20c, les jets d'assistance qui jaillissent des canaux 8a, 8b et 8c respectivement. Ces jets haute pression interceptent la surface annulaire balayée en rotation par les arêtes 11 dans le prolongement de la couronne discontinue 12. Ainsi, le jet 20a converge vers l'extrémité radialement interne de l'arête 11 associée; le jet 20b, vers l'extrémité radialement externe de l'arête associée; et le jet 20c, vers le milieu de l'arête associée. On notera que ces jets interceptent le plan des faces d'attaque des plaquettes 16 associées selon des angles aigus de l'ordre couramment d'une dizaine ou d'une vingtaine de degrés grâce à quoi une protection hydrau- lique et un refroidissement de ces plaquettes sont assurés. On notera que contrairement aux enseignements des demandes de brevet citées plus haut, ces canaux ne débouchent pas à proximité immédiate des arêtes, puisqu'ils débouchent sensiblement au niveau du fond de la cuvette 14, plus précisément, en regard radialement des rampes d'évacuation 13. Il s'est avéré en fait que la perte de cohérence des jets reste toutefois limitée; cette confi- guration est tout particulièrement adaptée à des taillants pour roches dures donnant lieu à des débris de foration très fins: on peut alors réduire la hauteur de la couronne 12 et donc celle des plaquettes, et réduire donc la décohésion progressive des jets. Dans une variante non repré- sentée les canaux d'amenée de fluide haute pression débouchent au contraire au travers des plaquettes 16 percées à cet effet, qui sont ainsi refroidies. Il va de soi que la description qui précède n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes de réalisation peuvent être proposées sans sortir du cadre de l'invention. Il est à noter que comme pour les canaux d'amenée de fluide de rinçage, les canaux d'amenée de fluide d'assistance pren- nent leur source à la périphérie de la chambre 6 haute pression qui, compte tenu des contraintes imposées par ailleurs aux canaux 8, doit avoir la forme élargie repré- sentée à la figure 1. L'invention s'applique bien sûr au cas plus général de jeux de canaux, avantageusement associés chacun à une arête, comportant plusieurs canaux, par exem- ple alignés radialement, en avant ou en arrière des arêtes d'attaque, voire au travers des plaquettes portant ces arêtes. REVENDICATIONS 1. Taillant de foration rotative assistée par jets haute pression, destiné à être monté au bout d'une barre de perforatrice pour son entraînement en rotation autour d'un axe longitudinal et sa pénétration dans une roche, du genre comportant, à l'opposé de ladite barre, au moins une arête d'attaque (11) en saillie axiale à laquelle est associée une rampe d'évacuation de débris, en combinai- son avec une pluralité d'au moins deux canaux d'amenée de fluidehaute pression, destinés à être mis en communi- cation au-travers de la barrede perforatrice avec une source de fluide haute pression en vue de générer des jets d'assistance adaptés à éroder la roche en avant du taillant, répartis en une succession d'au moins deux jeux de canaux décalés angulairement dont chacun comprend au moins un canal d'amenée, ce taillant étant caracté- risé en ce que la configuration des canaux d'amenée(8) par rapport à l'axe longitudinal (Z-Z) du taillant varie d'un jeu à l'autre. 2. Taillant selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'à chaque arête d'attaque est associée un canal d'amenée. 3. Taillant selon la revendication 2, caracté- risé en ce que les canaux d'amenée sont orientés selon des directions convergeant avec les arêtes associées. 4. Taillant selon la revendication 3, selon lequel les arêtes d'attaque bordent de façon sensible- ment radiale des faces d'attaque sensiblement parallèles à l'axe longitudinal du taillant, caractérisé en ce que les canaux d'amenée (8) sont orientés selon des directions affleurant ces faces d'attaque (16a). 5. Taillant selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, du genre comportant une pluralité d'au moins deux arêtes d'attaque en saillie axiale vis-à-vis d'une couronne discontinue (12) définissantunecuvettedont le fond est pourvu d'un éclateur central, caractérisé en ce que les canaux d'amenée sont orientés selon des directions interceptant la surface annulaire balayée en rotation par les arêtes d'attaque à des distances différentes de l'axe (Z-Z) du taillant. 6. Taillant selon la revendication 5, carac- térisé en ce que les canaux d'amenée débouchent du taillant sensiblement au niveau du fond de la cuvette (14). 7. Taillant selon la revendication 6, carac- térisé en ce que les canaux d'amenée débouchent du taillant en regard radialement des rampes d'évacuation (13) associées aux arêtes d'attaque. 8. Taillant selon l'une quelconque des reven- dications 1 a 7, caractérisé en ce qu'il comporte trois arêtes d'attaque régulièrement réparties du point de vue angulaire, associées à trois canaux d'amenée, orientés selon des directions convergeant respectivement vers l'extrémité radialement interne, le milieu et l'extrémi- té radialement externe desdites arêtes d'attaque. 9. Taillant selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, du genre comportant en outre des canaux de rincage (7) adaptés àêtre mis en communication au-travers de la tige de perforatrice avec une seconde source de pression à plus faible pression que la source de pression à laquelle sont connectés les canaux d'amenée, la tige de perforatrice comportant deux tubes concentriques d'alimentation dont le tube central corres- pond au fluide d'assistance, caractérisée en ce que ledit taillant comporte pour sa liaison à la tige de perforatrice une chambre cylindrique (4) pour la réception du tube d'alimentation de plus grand diamètre et un goulot (5) pour la réception du tube central d'alimentation, prolongé axialement par une chambre (6) élargie radialement a la périphérie de laquelle débouche les canaux d'amenée. 10. Taillant selon la revendication 1 ou la re- vendication 2, dans leauel les arêtes d'attaque sont ménagées sur des plaquettes rapportées (16), caractérisé en ce que les canaux d'amenée débouchent au travers de ces plaquettes percées à cet effet.