Brevet FR2562947A1 — publié le 19851018

La présente invention concerne un trépan rotatif pour des forages profonds - comprenant un corps de trépan avec une queue de jonc- tion destinée à assurer la jonction. avec un train de tiges de forage ou l'6quivalent et une tête de trépan de coupe, qui comprend une zone périphérique s'étendant parallèlement à son axe longitudinal central et une zone d'about qui s'étend A partir de la zone périphé- rique jusqu'A une zone centrale, étant entendu qu'au moins une partie de la zone d'about a la forme d'un cône et est décalée quant à son axe de cône, parallèle- ment à l'axe longitudinal central de la tête du trépan et que l'axe longitudinal de la queue de jonction coincide avec l'axe de cône. Dans le cas d'un trépan de forage rotatif connu de ce type (US-PS 2 953 354), la zone d'about de la tête du trépan est pourvue d'une surface partielle conique orientée vers l'intérieur, qui ne centre le trépan de forage par rapport à l'axe du cône qu'après l'amorce du forage d'une carotte. Après le centrage, le trépan de forage rotatif connu est à même, au moyen de la face d'about de sa tête qui est alors disposée de manière excentrique, de forer un trou d'un diamètre supérieur à celui qui correspond A la tête du trépan. Le domaine d'utilisation du trépan de forage rotatif connu est cependant limité car son fonctionne- ment convenable suppose la présence d'une carotte de forage pour le centrage et le guidage. Dans le cas d'une rupture de la carotte de forage, d'une fermeté insuffisante de la formation à forer ou de la présence d'un trou de forage pilote, le centrage autour de l'axe du cône ne se réalise pas et le trépan de forage rotatif effectue, au contraire, un mouvement de rota- tion centré sur l'axe central longitudinal de sa tête de forage, ce qui provoque un mouvement de nutation excentrique de la queue de jonction et ainsi des tiges de forage reliées au trépan de forage rotatif. Le diamètre d'un trou ainsi foré ne correspond alors qu'au diamètre de la tête du trépan. L'invention a pour but d'améliorer la fiabi- lité du centrage d'un trépan de forage rotatif du type spécifié et d'accrottre son domaine d'utilisation. Ce but est atteint, dans le cas d'un trépan de forage rotatif dans lequel La partie conique de la zone d'about de la tête de trépan est adjacente à la zone périphérique et fait saillie dans le sens du forage. Dans le cas du trépan de forage rotatif conforme à l'invention, le cône qui fait saillie vers l'extérieur assure déjà, dès que le trépan de forage rotatif est posé, un centrage par rapport à l'axe du cône, autour duquel le trépan de forage rotatif tourne alors de manière fiable. L'accroissement du diamètre du trou foré, qui est recherché par le déplacement d'axe entre l'axe central longitudinal de la tête du trépan et l'axe du cône, est ainsi obtenu de manière sûre. Un mode de fonctionnement fiable du trépan de forage rotatif est, dans ce cas, aussi assuré dans. des forma- tions tendres ou cassantes. Le trépan de forage rotatif conforme à l'invention peut aussi être utilisé dans des trous de forage pilotes, dans la mesure o leur rayon est inférieur à la plus petite distance entre la zone périphérique de la tête du trépan et l'axe du cône. Dans une forme d'exécution préférée de l'inven- tion, l'ensemble de la zone d'about de la tête de forage a la forme d'un cône. En variante, la zone d'about de la tête de trépan a la forme d'un tronc de cône. De préférence, la valeur de l'angle (O) inclus entre les génératrices de la zone d'about conique et l'axe de cône est établie en fonction du degré de dureté de la formation rocheuse à forer et est choisie plus grande pour des formations dures que pour des forma- tions tendres. Enfin, il est avantageux que la zone périphéri- que soit pourvue, sur son côté le plus éloigné de l'axe de cône, d'une garniture plus résistante à l'usure que celle de son côté opposé. Dans la description et le dessin annexé, qui est une vue en élévation de côté d'un exemple de réalisation d'un trépan de forage rotatif conforme à l'invention à l'intérieur d'un trou de forage indiqué schématiquement, sont illustrés des détails de l'inven- tion. Le trépan de forage rotatif est formé d'un corps de trépan 1, d'une queue de jonction 2 assurant la liaison avec un train de tiges de forage, non représenté, et une tête de trépan de coupe 3. La tête de trépan 3 comprend une zone périphérique 5 qui s'étend parallèlement a son axe central longitudinal 4 et une zone d'about 6 qui s'étend à partir de la zone périphérique 5 jusque dans une zone centrale. La zone périphérique 5 offre une enveloppante à peu près cylindrique qui fait saillie radialement par rapport au corps 1 du trépan et passe par l'intermédiaire d'un chanfrein 7 au plus petit diamètre du corps 1 du trépan. Le diamètre déterminé par l'enveloppante de la zone périphérique 5 est indiqué par d. Les parties superficielles saillantes de la zone périphérique 5 sont interrompues en de multiples endroits par des rainures longitudinales 8 qui servent A permettre le passage sans entrave du fluide de forage. La zone d'about 6 de la tête de forage 3 a la forme d'un cône faisant saillie vers l'extérieur dans le sens du forage, dont l'axe 9 est décalé de l'excentricité e parallèlement à l'axe longitudinal central 4 de la tête de forage 3. La queue de jonction 2 est aussi décalée de l'excentricité e dans le même sens parallèlement à l'axe longitudinal central 4, de sorte que son axe longitudinal central coïncide avec l'axe 9 du cône. Les génératrices de cône de la zone d'about 6 forment avec l'axe de cône 9 un angle inclus qui peut être compris entre 60 et 30' et qui, dans des formations rocheuses relativement dures, est de préférence proche de 55'. Grâce à sa configuration structurelle, le trépan de forage rotatif subit, en service, une rota- tion autour de l'axe 9 du cône, de sorte que le côté de la zone périphérique 5 le plus éloigné de l'axe 9 du cône décrit une enveloppante dont le diamètre est égal a D et est supérieur du double de l'excentricité e au diamètre d de l'enveloppante de la zone périphérique 5. Comme le montre le dessin, un trou foré 11 présente aussi le diamètre intérieur D, car le trépan de forage rotatif est dès sa pose sur le fond 12 du trou foré, centré au moyen du sommet 10 de son cône sur l'axe 9 du cône à titre d'axe de rotation. Dans une opération de forage stationnaire, l'ensemble de la surface d'about 6 du trépan de forage 9 attaque le fond 12 du trou foré et contribue dans sa totalité au centrage du trépan de forage. Un centrage est encore assuré lorsqu'un trou pilote présent doit être amené par forage à un diamètre plus grand, à condition que le rayon du trou pilote soit inférieur A la plus courte distance entre la zone périphérique 5 de la tête 3 du trépan et l'axe 9 du cône. Selon le type de formation dans laquelle le trépan de forage rotatif doit être utilisé, l'angle X entre les génératrices du cône et l'axe 9 du cône peut être choisi différent. Pour une utilisation, dans des formations particulièrement tendres, il peut, par exemple, être avantageux de réduire l'angle indiqué au dessin de 55' pour obtenir une surface de centrage plus étendue pour le trépan de forage rotatif. Si le trépan de forage rotatif doit être utilisé exclusivement pour reforer des trous de forage pilotes, il est possible, en vue d'économiser des éléments de coupe, de laisser la partie de la surface d'about 6 entourant directement l'axe 9 du cône dépour- vue de matière de coupe et de lui conférer une configu- ration autre que la configuration conique. Dans ce cas, il suffit de ne donner une forme conique qu'à la partie de la zone d'about 6 adjacente A la zone périphérique 5 qui attaque la formation. A titre de garniture de coupe pour le trépan de forage rotatif conforme à l'invention, on peut, selon la formation à forer, utiliser tous les types connus d'éléments de coupe, comme des couches de coupe contenant des diamants fixés par imprégnation ou posés en surface, des éléments de coupe discrets ou disposés en séries avec des diamants synthétiques ou naturels dans les configurations connues, ainsi que d'autres éléments de coupe résistant à l'usure. L'alimentation en fluide de forage peut être prévue selon les exi- gences des éléments de coupe choisis. En outre, le côté de la zone périphérique 5 éloigné au maximum de l'axe 9 du cone, qui est particulirement sollicité, peut aussi être pourvu d'une garniture dont la résistance à l'usure est plus grande que celle du c8té opposé de la zone périphérique 5. R E V E N D I CATION S 1.- Trépan rotatif pour forages profonds, comprenant un corps de trépan avec une queue de jonc- tion destinée à assurer la jonction. avec un train de tiges de forage ou l'équivalent et une tête de trépan de coupe, qui comprend une zone périphérique s'étendant parallèlement à son axe longitudinal central et une zone d'about qui s'étend A partir de la zone périphé- rique jusqu'à une zone centrale, étant entendu qu'au moins une partie de la zone d'about a la forme d'un cône et est décalée quant à son axe de cône, parallèle- ment à l'axe longitudinal central de la tête du trépan et que l'axe longitudinal de la queue de jonction coïncide avec l'axe de cône, caractérisé en ce que la partie conique de la zone d'about (6) de la tête de trépan (3) est adjacente à la zone périphérique (5) et fait saillie dans le sens du forage. 2.- Trépan de forage rotatif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble de la zone d'about (6) de la tête de forage (3) a la forme d'un cône. 3.- Trépan de forage rotatif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le zone d'about (6) de la tête de trépan (3) a la forme d'un tronc de cône. 4.- Trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications 1 A 3, caractérisé en ce que la valeur de l'angle (4) inclus entre les généra- trices de la zone d'about conique (6) et l'axe de cône (9) est établie en fonction du degré de dureté de la formation rocheuse A forer et est choisie plus grande pour des formations dures que pour des formations tendres. 5.- Trépan de forage rotatif suivant l'une 2562947. quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la zone périphérique (5) est pourvue, sur son côté le plus éloigné de l'axe de cône (9), d'une garniture plus résistante à l'usure que celle de son côté opposé.