Brevet FR2608672A1 — publié le 19880624

La présente invention se rapporte à un nouvel outil de broyage qui est utilisé pour enlever divers matériels dans un environnement souterrain. Cette invention se rapporte en particulier à un outil de broyage pour l'enlèvement du tubage, des colliers, d'une tige de forage, du ciment, d'outils coincés et autres articles semblables. En utilisation, l'outil de broyage réduit l'article souterrain en petits morceaux et copeaux qui sont enlevés par un fluide de forage. Il y a une nécessité spéciale, dans l'industrie du pétrole et du gaz, pour des outils permettant d'enlever le tubage dans un puits de pétrole et de gaz, les colliers de forage, les tiges de forage et les outils coincés. Tout cela est accompli de la surface au moyen d'un outil à l'extrémité d'un train de tiges. Le train de tiges peut avoir de 30 à 300 mètres de long. Typiquement, la zone de travail dans un puits est à environ 0,9 à 3,0 km ou plus en-dessous de la surface. Dans diverses opérations à ce point sous la surface, une portion du tubage ou du puits peut devoir être enlevée de manière que le forage puisse être entrepris dans une direction différente ou bien une masse-tige peut devoir être enlevée. L'enlèvement du tubage a pour raison de permettre le forage d'un puits supplémentaire à partir du puits principal. Un autre usage des outils de broyage consiste à enlever un outil coincé dans le puits. Ce dernier usage consiste à détruire l'outil en le broyant par l'intermédiaire de l'outil dans le trou. Cela ouvre alors le trou de manière que le forage puisse recommencer. Il y a d'autres usages auxquels ces outils de broyage peuvent être soumis. Des outils de broyage ont été utilisés depuis de nombreuses années pour des opérations en sous-sol. Un grand nombre de ces outils ont une section pilote ou guide inférieureet une section supérieure de coupe. On les appelle broyeurs pilotes, broyeurs à tige de forage, broyeurs a massetige et broyeurs à rebuts. Il y a d'autres outils de broyage qui sont utilisés dans des opérations souterraines. Ils comprennent des broyeurs de démarrage, des broyeurs à fenêtre, des broyeurs à train, des broyeurs en melon d'eau, des broyeurs effilés et des broyeurs en section. Chacun de ces broyeurs est utilisé dans un but différent. Cependant, ces broyeurs ont tous un point commun qui est d'enlever du matériel ou un article d'un trou de sondage. De même, chacun de ces broyeurs accomplit cela de la même manière en réduisant l'article en copeaux et petits éclats. Les divers broyeurs en utilisation ont différents types de lames de coupe. Certaines lames de coupe sont linéaires et longitudinalement orientées sur le corps de l'outil. Dans d'autres outils, les lames de coupe sont à un certain angle par rapport à l'axe longitudinal de l'outil de broyage. Et sur d'autres outils encore, les lames de coupe sont en forme de spirale sur le corps de l'outil. La présente invention expose un perfectionnement à chacun de ces outils. Cette invention est dirigée vers un outil de broyage o les lames de coupe ont une inclinaison axiale négative mais une inclinaison radiale négative essentiellement constante. L'inclinaison axiale est l'angle de divergence d'une lame de coupe par rapport à une ligne parallèle à l'axe longitudinal de l'outil. L'inclinaison radiale est l'angle de divergence entre la lame de coupe et le plan passant par l'axe longitudinal de l'outil et le bord radialement interne de la lame de coupe. Les figures 7 et 9 qui seront décrites ultérieurement donnent une explication détaillée de l'inclinaison axiale et de l'inclinaison radiale. Une inclinaison axiale négative signifie que la lame de coupe est oblique dans la direction de la rotation de l'outil. Une inclinaison radiale négative est le changement en degrés radiaux dans la direction de rotation de l'outil. Pour cette raison, une lame de coupe qui est sur l'axe longitudinal du corps de l'outil sur toute sa longueur n'aura pas une inclinaison axiale négative ou une inclinaison radiale négative. L'inclinaison axiale d'une lame de coupe est établie à un angle négatif pour donner une meilleure coupe. Cet angle négatif est usuellement d'environ 2 à 10 degrés. Si la lame de coupe est linéaire, l'inclinaison radiale négative sera alors comprise entre 0 degré à l'extrémité inférieure de la lame de coupe et 30 degrés ou plus à l'extrémité supérieure de la lame de coupe. Elle varie sur toute la lame de coupe. C'est uniquement à une inclinaison axiale négative établie et à une inclinaison radiale négative établie sensiblement constante que l'outil donnera la coupe optimale sur toute la longueur de la lame de coupe. En général, l'inclinaison radiale négative doit être un angle sensiblement constant compris entre environ 0 degré et 30 degrés. Cela permet une coupe optimale dans différentes positions sur toute la longueur de la lame de coupe. Pour une lame de coupe o l'inclinaison radiale négative dépasse 30 degrés ou plus, il y a un mauvais broyage. L'utilisation d'inserts en carbure de tungstène de configuration uniforme, sur les surfaces avant des lames de coupe,fait également partie de l'invention. De préférence, les inserts en carbure de tungstène sont de forme cylindrique, ayant un diamètre d'au moins environ 3,17 mm et une épaisseur d'au moins environ 4,75 mm. Ces inserts sont brasés sur les lames de coupe en formation très serrée. De même, il est préférable que sur des lames adjacentes de coupe, les inserts soient verticalement décalés d'au moins environ 1,59 mm à 6,35 mm. L'objectif est d'avoir une partie différente d'un insert qui effectue la coupe sur des lames adjacentes de coupe. Cela est préférable car une coupe optimale est dans la première moitié d'un insert. Il est également préférable que les inserts en carbure de tungstène soient placés sur la lame de coupe de manière que lorsqu'elle est montée, il y ait un angle d'avance d'environ 0 à 10 degrés. De plus, le carbure de tungstène doit être en un matériau d'une qualité de coupe plutôt que d'une qualité d'usure. En conséquence, la présente invention offre un outil de broyage pour enlever un matériel d'un emplacement souterrain comprenant un corps d'outil cylindrique, un passage longitudinal à travers ledit corps d'outil, un moyen à une extrémité pour connexion à un moyen d'entraînement, et un certain nombre de lames de coupe ayant des inserts de coupe, qui sont attachées à la surface dudit corps d'outil, lesdites lames de coupe ayant une inclinaison axiale négative de 1 à 10 degrés et une inclinaison radiale négative sensiblement constante. Les lames de coupe peuvent être linéaires, en spirale, ou toute autre forme. Les inserts de coupe peuvent être cylindriques et peuvent être formés en carbure de tungstène de qualité de coupe. Ces inserts peuvent être brasés sur le corps de l'outil et sont de préférence verticalement decalés dans chaque lame de coupe adjacente et,de plus,les inserts de coupe doivent avoir un angle d'avance de 0 à 10 degrés lorsque la lame de coupe est attachée au corps de l'outil. De cette manière, la lame de coupe est en une position optimale de broyage sur toute sa longueur et les inserts en carbure de tungstène sont dans des positions sur les lames de coupe de manière qu'au moins certains des inserts soient toujours à leur mode optimal de coupe. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés.uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe transversale de l'outil de broyage coupant un tubage en un emplacement souterrain; La figure 2 est une vue en perspective d'un outil de broyage ayant des lames de coupe en spirale; La figure 3 est une vue en perspective de la portion de lame de coupe de l'outil de broyage de la figure 2; La figure 4 est une vue en coupe transversale des lames de coupe de la figure 3; La figure 5 est une vue détaillée des lames de coupe de la figure 4; La figure 6 est une vue en perspective de la partie pilote d'un outil; La figure 7 est un schéma qui décrit une inclinaison axiale négative; La figure 8 est un schéma qui décrit un angle d'avance La figure 9 est un schéma qui décrit une inclinaison radiale négative; La figure 10 est une vue en élévation montrant le changement d'inclinaison radiale négative pour une lame de coupe droite ayant une inclinaison axiale négative de 5 degrés; La figure 11 est un schéma de l'outil de la figure 10; La figure.12 est une vue en élévation montrant le changement d'inclinaison radiale négative pour une lame de coupe en spirale ayant une inclinaison axiale négative de degrés; La figure 13 est un schéma de l'outil de la figure 12; La figure 14 est une vue en élévation avant d'une lame de coupe coupant un tubage à un angle d'avance de 0 degré; La figure 15 est une vue en élévation latéraie des inserts en carbure d'une lame de coupe; La figure 16 est une vue en élévation avant d'une lame de coupe coupant un tubage & un angle d'avance négatif; La figure 17 est une vue en coupe d'une lame de coupe linéaire avec des inserts placés à un angle donné d'avance; et La figure 18 est une vue en coupe de la lame de coupe de la figure 17. L'invention sera maintenant décrite en plus de détail en se référant plus particulièrement aux dessins. La figure 1 montre un outil 20 enlevant un tubage interne 23 d'un puits de gaz et de pétrole. Un tubage externe 22 est également montré, qui est entouré par la terre 21. Tandis que l'outil tourne avec une force désignée vers le bas sur l'outil, les bras de coupe 26 de l'outil broient le tubage 23 vers le bas. La surface inférieure de chaque lame de coupe coupe le tubage, les lames s'usant vers le haut. La partie inférieure de l'outil 20 contient une section pilote 25. Des guides 27 sont également prévus du côté de la partie inférieure de l'outil pour stabiliser celui-ci dans le trou. Au centre de l'outil est prévue une gorge 24 par laquelle le fluide de forage s'écoule, vers le bas, à partir de la surface. La figure 2 montre un mode de réalisation du présent outil avec des lames de coupe 26 en spirale. La spirale est formée à un angle o l'inclinaison axiale négative est d'environ 1 & 15 degrés et de préférence d'environ 3 à 10 degrés. L'inclinaison radiale négative est constante sur toute la longueur de la lame de coupe à un angle négatif de 0 à 30 degrés. De préférence, l'inclinaison radiale négative est constante à environ 5 à 15 degrés. La portion supérieure de l'outil se compose de la section 28 et de la pièce filetée 29. La pièce filetée 29 relie l'outil au train de tiges qui s'étend, vers le bas, à partir de la surface. Le fluide de forage descend de la surface à l'outil par le train de tiges. La figure 3 montre la section de lamne de coupe de l'outil en plus de détailsChacune de ces lames de coupe a des inserts de coupe 30 à la surface avant de la lame. La surface avant ou menante est la surface de la lame dans la direction de rotation de l'outil. Les inserts de coupe sont de préférence en carbure de tungstène de qualité de coupe. Ces inserts ont un diamètre d'au moins environ 6,35 mm et de préférence d'au moins environ 9,52 mm. L'épaisseur de chaque insert est d'au moins environ 3,17mm et de préférence d'environ 5,33 mm. Ils sont tassés en un motif pour rendre maximal le nombre d'inserts et pour diminuer les vides. Les inserts peuvent être du même diamètreou de différents diamètres. Cependant, ils doivent être de la même épaisseur. Ces inserts sont brasés sur une pièce d'acier d'une épaisseur d'au moins environ 9,52 mm et de préférence d'au moins environ 15,9 mm. Cet acier est d'une qualité qui s'usera assez facilement lors d'une coupe d'un tubage. L'intention est que la coupe soit effectuée par les inserts de coupe et non pas par le support d'acier des inserts. La figure 4 donne une vue en section transversale de l'outil montrant les lames de coupe en détail. Sur cette figure, chaque lame de coupe 26 se compose du support d'acier 31 qui porte les inserts 30. Une fente à gorge 32 dans l'outil reçoit chacune des lames de coupe. Cependant, une fente à gorge pour chaque lame de coupe n'est pas nécessaire. Les lames de coupe peuvent être soudées directement à la surface extérieure de l'outil. La figure 5 montre en plus de détail la connexion de chaque lame de coupe. Cela montre le tubage 23 qui est coupé par les inserts sur les lames 26 qui sont attachées au corps 20 par un matériau de soudage 33. Ces lames de coupe sont montrées dans des fentes à gorge. Cette vue montre également les inserts verticalement décalés sur des lames adjacentes de coupe. Les inserts de coupe sont décalés d'environ 1,59 mm à 6,35 mm. Les inserts 30 (a), 30(b), 30(c) et 30(d) sur la lame de coupe 26(a) sont décalés des inserts similaires sur la lame de coupe 26(b). La figure 6 montre la portion pilote inférieure de l'outil. Les guides sont illustrés là en spirale. Cependant, ils peuvent être droits sur l'axe longitudinal de l'outil ou placés à une inclinaison axiale positive ou négative. Ces guides peuvent également avoir des inserts de carbure de tungstène de qualité usure sur la surface externe. Ce sont usuellement de petits disques qui sont attachés à fleur avec la lame, par brasage. La figure 7 décrit ce qui est connu comme une inclinaison axiale négative. L'angle 36 est l'inclinaison axiale négative. Une inclinaison axiale est l'endroit o la lame de coupe n'est pas axialement orientée avec l'axe longitudinal de l'outil. Une inclinaison axiale négative est là o la lame de coupe est en angle dans la direction de la rotation de l'outil. Une inclinaison axiale positive est là o la lame de coupe est en angle opposé à la direction de rotation de l'outil. Sur la figure 7, la ligne 35 désigne l'axe longitudinal central de l'outil. La ligne 37 est une ligne au pourtour de la lame de coupe de l'outil et parallèle à l'axe central 35. La ligne 38 désigne l'axe horizontal de l'outil. L'angle 36 est l'angle entre la lame de coupe 26 et l'axe central 35 de l'outil 20 montré ici comme étant l'angle entre la lame de coupe étendue et la ligne 37. C'est une inclinaison axiale négative car la lame de coupe est en angle dans la direction de la rotation de l'outil comme cela est désigné par la flèche. Une inclinaison axiale négative permet une meilleure coupe du métal ou autre matériau. La figure 8 décrit ce que signifie l'angle d'avance- L'angle d'avance 39 est l'angle dont la lame de coupe 26 est décalée par rapport à l'axe horizontal 38. Une lame de coupe o la surface inférieure de la lame de coupe est sur l'axe horizontal 38 à travers toute cette surface inférieure, aura un angle d'avance de 0 degré. L'angle d'avance d'une lame de coupe coupant un tubage est montré en plus de détail à la figure 16. En principe, tandis que l'angle d'avance d'une lame de coupe augmente, le tubage est coupé à un angle plus aigu. La figure 9 décrit ce que signifie l'inclinaison radiale négative. Une inclinaison radiale est l'angle de divergence entre la surface de coupe et le plan passant par l'axe longitudinal de l'outil et le bord radialement interne de la lame de coupe. Une lame de coupe droite qui a une inclinaison axiale de 0 degré aura une inclinaison radiale constante. Un déplacement de l'angle radial dans la direction de rotation de l'outil est une inclinaison radiale négative tandis qu'un déplacement en direction opposée est une inclinaison radiale positive. Lorsqu'une lame droite de coupe est attachée à un outil ayant une inclinaison axiale négative, elle a une inclinaison radiale négative. Et de même, si une lame de coupe est attachée à l'outil avec une inclinaison axiale positive, elle a une inclinaison radiale positive. Le degré de l'inclinaison radiale dépendra du diamètre de l'outil et de la longueur de la lame de coupe. Tandis que la longueur de la lame de coupe augmente, l'inclinaison radiale pour une inclinaison axiale spécifique augmente. La figure 9 montre l'angle d'inclinaison radiale négative 40(a) pour une lame droite ayant une inclinaison axiale négative. Il est nécessaire, pour une bonne coupe, qu'une lame de coupe ait une inclinaison radiale constante pour une inclinaison axiale négative établie. Une lame de coupe en spirale ou une lame de coupe droite comme sur les figures 17 et 18 avec des inserts de coupe en angle donnera une inclinaison radiale sensiblement constante pour une inclinaison axiale négative donnée. Les figures 10 et 11 illustrent de plus le changement de l'inclinaison radiale négative 40(a) pour une lame de coupe droite ayant une inclinaison axiale négative de 5 degrés. Pour la simplicité, la lame de coupe aura une angle d'avance de 0 degré. L'angle de déplacement de la lame de coupe est désigné en 40. L'angle d'inclinaison radiale négative variera avec le diamètre externe du corps de l'outil. Par exemple, un outil d'un diamètre externe de 20,3 cm avec une longueur de lame de 30,5 cm varie d'une inclinaison radiale négative de 0 degré en 41 à l'inclinaison radiale maximale de plus de degrés en 42, l'extrémité supérieure de la lame de coupe. Au contraire, les figures 12 et 13 montrent l'utilisation d'une lame en spirale. La lame en spirale a une inclinaison axiale négative de 5 degrés. Pour la simplicité de nouveau, il y a un angle d'avance de 0 degré. L'inclinaison radiale négative est dans ce cas un angle constant de 0 degré. Afin d'avoir une coupe maximale sur toute la longueur de la lame de coupe, il doit y avoir une inclinaison radiale négative constante. Autrement, l'outil a une forte efficacité en une zone seulement de la lame de coupe. Sur les figure 10 et 11, l'angle d'inclinaison radiale (a) sera le même que l'angle de déplacement 40. Cela est le cas car l'inclinaison radiale est 0 à l'extrémité inférieure de la lame de coupe. Cependant, si l'inclinaison radiale n'est pas 0 à l'extrémité inférieure de la lame de coupe, l'inclinaison radiale et l'angle de déplacement ne peuvent coincider. La figure 11 illustre l'inclinaison radiale comme étant l'angle dont l'extrémité de la lame de coupe est décalée d'un axe radial 38 de l'outil. C'est-à-dire que la portion de coupe de la lame n'est pas axiale sur toute sa longueur. Elle change constamment. Contrairement à la figure 3, l'angle de déplacement 40 est le même que pour la lame droite, mais la lame est en spirale, donc la portion de coupe de la lame est axiale sur toute sa longueur. La figure 14 montre la lame de coupe 26 avec des inserts ayant un angle d'avance de 0 degré. Elle est montréecoupant le tubage 23. Les inserts sont très proches et ne doivent pas être nécessairement du même diamètre. Ils doivent cependant être de la même épaisseur. Bien que l'on puisse utiliser il un carbure de tungstène de qualité usure, il est préférable que ce soit d'une qualité de coupe. La figure 15 est une vue en élévation des inserts en carbure. La figure 16 montre une lame de coupe avec des inserts ayant un angle d'avance d'environ 5 à 10 degrés. Les lames de coupe de ces figures sont de préférence des lames de coupe en spirale, bien qu'elles puissent avoir une forme droite. De même, sur la figure 16, le support en métal 31 peut être rectangulaire mais avec les inserts placés à l'angle d'avance. Dans l'utilisation d'un tel outil, le métal s'usera rapidement jusqu'aux inserts. De même, le métal en-dessous des inserts pourrait être couvert d'un carbure de tungstène broyé qui amorcera la coupe du tubage. Les figures 17 et 18 révèlent le mode de réalisation d'une lame droite de coupe qui aurait une inclinaison axiale négative, mais cependant une inclinaison radiale négative constante. Là, les inserts de coupe sont placés à l'inclinaison axiale négative souhaitée. Cela est accompli par les bras de coupe ayant des gorges en angle échelonnées 43 pour recevoir les inserts. L'angle de la gorge échelonnée détermine l'angle de l'inclinaison axiale négative. Cette lame de coupe avec les inserts placés à une inclinaison axiale négative prédéterminée peut être attachée sur l'outil de manière qu'il ait une inclinaison radiale négative de 0 à 30 degrés. De plus, cette lame peut être faite à tout angle souhaité d'avance. Comme autre alternative, la fente à gorge peut varier en profondeur de manière qu'une rangée d'inserts de coupe ait des hauteurs variables. De même, chaque fente à gorge peut être d'une profondeur différente. En utilisant ces alternatives, l'inclinaison radiale des lames de coupe peut être changée. L'objectif principal de l'invention est d'avoir un outil de broyage o les lames de coupe sont à l'orientation optimale de coupe sur toute la longueur de ces lames. Cela est important lorsque l'opération de changement des outils est coûteuse. Lorsque les lames de coupe ne sont pas à l'orientation optimale de coupe, l'outil enlèvera de moins en moins de matériel tandis que les lames de coupe s'useront et cela produira usuellement plus de chaleur du fait du contact de frottement avec le tubage ou autre article qui est coupé. En un certain point, le niveau de chaleur atteindra un point forçant l'outil à se rompre. Ces nouveaux outils de broyage ont une durée de vie accrue lors du broyage d'un tubage pétrolifère et autre, car ils rendent maximale la coupe et minimisent la production de chaleur. Cela signifie la capacité d'enlever 4 à 10 fois plus du tubage avant qu'un outil de broyage doive être enlevé et remplacé. En considérant qu'en usage en champ pétrolifère, il peut falloir 8 heures ou plus pour enlever un outil de broyage d'un trou de sondage, remplacer l'outil puis remettre.le nouvel outil de broyage dans le trou de sondage, le fait de pouvoir enlever 4 à 10 fois plus de tubage par outil produit des économies considérables. La présente description a été dirigée vers des lames de coupe stationnaires. C'est-à-dire que les lames de coupe sont soudées à l'outil. Cependant, cette découverte s'applique totalement à des lames de coupe à coulisse comme dans des broyeurs à section. L'objectif est l'utilisation de lames de coupe placées à une inclinaison axiale négative et à une inclinaison radiale constante qui est usuellement négative. Le procédé de fixation deslames de coupe à l'outil n'est pas une caractéristique critique. Pour des lames de coupe à coulisse, les lames peuvent être déplacées mécaniquement ou hydrauliquement. De plus, la lame de coupe peut pivoter en un point et s'étendre vers l'extérieur ou bien la lame peut s'étendre vers l'extérieur de la même quantité sur toute sa longueur. Les broyeurs à section sont des outils qui ont des lames de coupe à coulisse. Les broyeurs standards à section peuvent être adaptés à utiliser les caractéristiques qui ont été décrites ici. R E V E N D I C A T IONS 1. Outil de broyage pour enlever le matériel d'un emplacement souterrain, du type comprenant un corps cylindrique d'outil, un passage longitudinal à travers ledit corps d'outil, un moyen à une extrémité pour connexion à un moyen d'entraînement et un certain nombre de lames de coupe fixées à la surface dudit corps d'outil, caractérisé en ce que lesdites lames de coupe (26) ont des inserts de coupe (30) et ont une inclinaison axiale négative de 1 à 10 degrés et une inclinaison radiale négative sensiblement constante. 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lames de coupe (26) sont en forme de spirale sur le corps cylindrique. 3. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les lames de coupe (26) sont en forme linéaire sur le corps cylindrique. 4. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les inserts de coupe (30) sont agencés sur des lames adjacentes de coupe de manière à être décalés sensiblement de 1,59 à 6,35 mm d'un plan latitudinal à travers ledit corps. 5. Outil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les inserts de coupe (30) sont des inserts cylindriques. 6. Outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface menante de chaque lame de coupe (26) présente un certain nombre d'inserts cylindriques. 7. Outil selon l'une quelconque des revendications ou 6, caractérisé en ce que les inserts cylindriques ont une épaisseur d'au moins sensiblement 3,17 mm, de préférence sensiblement de 5,33 mm et un diamètre d'au moins sensiblement 6,35 mm et de préférence sensiblement de 9,52 mm. 8. Outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les inserts cylindriques sont des inserts en carbure de tungstène de qualité de coupe. 9. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les inserts de coupe (30) sur les lames de coupe (26) ont un angle d'avance de 0 à 10 degrés. 10. Outil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'inclinaison radiale négative sensiblement constante (40a) est à un angle de 0 à 30 degrés.