Brevet FR2609099A1 — publié le 19880701

-1- La présente invention concerne un outil de forage. Plus particulièrement, mais sans que cela soit limitatif, la présente invention se rapporte à un outil ou trépan de forage pouvant être fixé à l'extrémité inférieure d'une colonne de forage. L'outil selon l'invention est d'un type comportant plusieurs organes tournants munis d'éléments taillants, ces organes pouvant être des molettes coniques tournant autour de roulements dont les axes sont inclinés par rapport à l'axe central de l'outil. Par le passé, les performances de tels outils, utilisés pour le forage des terrains, ont été améliorées par l'action simultanée de jets de fluide de forage qui frappent le fond du trou, ou front de taille, dans chacun des espaces libres entre les organes d'attaques des terrains. Au niveau de l'outil, ce fluide de forage doit avoir comme fonctions essentielles de refroidir l'outil, de nettoyer cet outil ainsi que le front de taille, et d'évacuer rapidement les déblais (cuttings) vers l'espace annulaire compris entre la colonne de forage et la paroi du trou foré. Dans un premier type d'outils selon l'art antérieur, les jets de fluide débouchent à un endroit situé notablement au-dessus du niveau des molettes. Il en résulte qu'avant d'atteindre le front de taille, les jets traversent le fluide de forage chargé en déblais qui remplit le fond du trou foré. De ce fait, la vitesse d'écoulement des jets au -2 - niveau de front de taille est considérablement ralentie, ce qui réduit leur efficacité. De plus, les jets entraînent une partie du fluide de forage chargé en déblais vers Le front de taille o Les déblais sont rebroyés par L'outil dont le rendement est ainsi diminué. Par ailleurs, les jets de fluide créent sur le front de taille une surpression qui comprime les terrains et l'on constate que La zone de contact entre l'outil et le front de taille o sont produits les déblais n'est pas suffisamment irriguée par le fluide de forage. Diverses modifications ont été proposées, en particulier les outils du types indiqué ci-dessus ont été modifiés pour que les jets de fluide de forage débouchent aussi près que possible du front de taille et, parfois même, un jet axial a été ajouté. Néanmoins, ces perfectionnements n'ont pas donné entièrement satisfaction: le rebroyage des déblais n'a pas pu être supprimé, pas plus que la surpression au niveau du front de taille. Dans un second type d'outil selon l'art antérieur, on a proposé d'utiliser, en combinaison avec les moyens d'irrigation constitués par des jets de fluide, des moyens d'aspiration du fluide chargé en déblais, ces moyens comportant un jet dirigé en sens opposé à celui de la progression de l'outil. De tels outils sont notamment décrits dans les brevets français 2.378.938, 2.421.270 et 2.421.271. La présente invention propose un outil du premier type ci-dessus défini, qui, par sa conception, est de réalisation simple et robuste, tout en ayant des performances d'utilisation considérablement accrues par rapport aux outils du même type et qui se rapprochent de celles du deuxième type, alors qu'ils ne comportent pas de jets d'aspiration. L'outil pour le forage de terrains comporte, selon la présente -3 invention un corps d'outil destiné à être entraîné en rotation par un porte-outil, une cavité étant ménagée dans ce corps pour recevoir à travers le porte-outil un fluide sous pression, une pluralité d'organes tournants portés par le corps de l'outil et munis de dents d'attaque des terrains sur un front de taille, ces dents ayant une hauteur H, le diamètre dudit outil étant D, des moyens d'irrigation adaptés à délivrer au moins un jet fluide d'irrigation dirigé vers Le front de taille, ces moyens comportant au moins un premier orifice calibré implanté sur le corps de l'outil, communiquant avec la cavité du corps d'outils et débouchant dans un espace compris entre deux organes tournants adjacents, ledit orifice calibré étant adapté à produire un jet fluide dirigé vers l'un des deux organes tournants entre lesquels est défini ledit premier espace, le centre dudit jet à sa sortie dudit orifice étant situé à une distance d du plan P perpendiculaire à l'axe de l'outil passant par le sommet des dents considérées du côté du front de taille. Selon la présente invention les grandeurs D, H et d sont telles que d > 1, 8 H et 0,125 D 1,5 H et -4 - 0,1 D d'irrigation comportant le ou Les orifices calibrés. Le jet de fluide produit par l'orifice pourra avoir une orientation sensiblement tangentielle à la surface extérieure des organes tournants. Les organes tournants pourront avoir sensiblement une forme conique, et l'orifice pourra être constitué par des fentes dont la direction d'allongement pourra être sensiblement parallèle à une génératrice d'un organe tournant. L'outil selon l'invention pourra comporter trois organes tournants définissant trois espaces compris entre deux organes tournants adjacents, et pour lequel uniquement deux des espaces pourront être équipés d'orifices calibrés, un seul de ces espaces étant exempt de tout orifice d'injection de fluide. L'axe du jet produit par l'orifice, lorsque celui-ci est supporté par une duse, pourra faire un angle compris entre 15 et 45 avec le plan Pet préférentiellement un angle égal à 30 . Lorsque l'orifice d'injection a une forme de fente, deux des parois définissant la forme interne de cette fente pourront appartenir à deux plans faisant entre eux un angle de 15 . L'outil selon la présente invention est particulièrement bien adapté - pour Le forage des terrains tendres et collants. L'invention pourra être bien comprise et tous ses avantages apparaîtront clairement à La Lecture de La description qui suit, iLLustrée par Les figures annexées dans LesqueLLes: - La figure 1 représente, vu de dessous, L'outil selon L'invention; - La figure 2 illustre schématiquement Les grandeurs ayant une importance pour L'obtention de bonnes performances de l'outil; - Les figures 3 et 4 montrent L'outiL vu en coupe, respectivement selon Les Lignes X'X et Y'Y de La figure 1, et - La figure 5 ilLustre schématiquement La configuration d'un orifice calibré avec son conduit amont. L'outil représenté sur les figures est composé d'un corps I muni de trois bras 2, dont deux seulement sont représentés aux figures 2 et 3. Ces bras portent des organes d'attaque des terrains constitués, par exemple, par des rouleaux ou molettes coniques 3, 4 et 5 tournant sur des roulements non représentés et dont les axes sont inclinés par rapport à l'axe 6 de l'outil qui correspond à la direction d'avancement de l'outil. Chacun de ces organes tournants, qui peut être de tout type connu, comporte des dents, comme représenté aux figures 1 et 2, capables d'attaquer les terrains au niveau du front de taille. La hauteur H, figure 2, désigne la hauteur des dents. La partie supérieure 7 du corps 1 (fig. 3 et 4) est filetée pour assurer le raccordement de l'outil à un élément porte-outil qui l'entraîne en rotation. Ce porte-outil, désigné par la référence 8 (cf. figure 4), peut être constitué par la colonne de forage dans le cas du forage rotary. - 6 - Lorsque l'outiL est directement entraîné en rotation par un moteur de fond, Le porte-outil sera constitué par le rotor de ce moteur. Dans Le corps 1 de L'outil est ménagée une cavité 9 qui communique directement avec La canalisation intérieure de La colonne de forage. Le corps de L'outil est pourvu de buses 10a et 11a ayant des orifices calibrés (10b, 10c, 11b et 11c) qui communiquent avec La cavité 9 par les passages 15 et 16. Les buses 10a et 11a sont placées dans deux espaces libres 10 et 11 entre les molettes, en étant de préférence situées sensiblement dans les plans bissecteurs de ces espaces. Les couples d'orifices (lOb, 10c; 11b, 11c) sont placés de telle sorte que, pendant le fonctionnement de l'outil, le fluide qui alimente la cavité 9 s'échappe par ces orifices (0lb, 10c; 11b, 11c) en formant deux paires de jets d'irrigation qui s'écoulent dans deux espaces libres 10 et 11 compris respectivement entre les organes tournants 4 et 5, 3 et 5 et dans un sens ayant une composante dirigée dans le sens de progression de l'outil en fonctionnement. La référence 12 désigne le 'troisième espace libre compris entre les organes tournants 3 et 4 qui est exempt de tout orifice d'injection (cf. figures 1 et 4). On dispose ainsi d'une zone de dégagement de la boue chargée de déblais qui est évacuée rapidement du front de taille. Les déblais sont ainsi évacués du front de taille aussitôt qu'ils sont formés et, dans ces conditions, l'outil de forage reste propre en permanence, ce qui permet des vitesses de forage accrues et augmente la longévité des organes de l'outil (dentures, paliers, etc...). Ceci est symbolisé par les flèches 17. Ainsi que le montre la figure 3, Il peut être avantageux, que l'alimentation en fluide des orifices calibrés (lOb, 10c; 11b, 11c), 7 - à partir de la cavité 9 se fasse par des conduits conçus de manière à réduire Le plus possible Les pertes de charges du fluide notamment par un raccordement tangentiel à la paroi de la cavité 9. Dans L'exemple de réalisation iLLustré dans les figures, les orifices calibrés (0lb, 10c; 11b, 11c) sont constitués par les orifices des buses 10a et 11a respectivement. Les différents orifices peuvent être orientés de telle sorte que les jets de fluide qui sortent de ces orifices atteignent Les organes tournants dans Le voisinage immédiat du front de taille. Autrement dit, Les axes des jets sortant des orifices calibrés peuvent être sensiblement tangents aux organes tournants. Ces orifices calibrés peuvent être des orifices circulaires, mais de préférence ils auront une forme de fente, comme on peut le voir sur la figure 2. Dans ces conditions, pour obtenir une efficacité maximale des jets d'irrigation, chacune de ces fentes est sensiblement parallèle à la génératrice de l'organe tournant atteinte par le jet de fluide, et agencée de façon que Le jet agisse sur la plus grande longueur possible de cette génératrice. D'excellents résultats peuvent être obtenus en respectant les conditions suivantes: d >1,8 H et A 0,125 D 1,5 H et Bi 0,1 D figure 2. d: distance qui sépare le centre 18 d'un orifice de sortie 10b du plan P perpendiculaire à l'axe de l'outil 6 et qui passe par le sommet 19 des dents les plus proches du front de taille; H: représente la hauteur des dents 20; D: représente le diamètre de l'outil. Sur la figure 2, on a représenté D/2 qui correspond au rayon de l'outil, et t: la distance minimum entre la base de la buse ou du prolongateur et le plan P. La figure 5 représente la section d'un orifice calibré 10b. Cet orifice est connecté à un conduit 21 ayant un axe central 22 débouchant en 18 au niveau de l'orifice 10b. Les orifices 10b, 10c, 11b et 11c peuvent avoir une forme de fente, comme représenté à la figure 2. Les plans 23 et 24 définissant les parois du conduit 21 pourront faire entre eux un angle alpha (en lettre grecque sur la figure 5) faible, par exemple sensiblement voisin de 15 . L'angle bêta (en lettre grecque sur la figure 5) que fait l'axe 22 du conduit 10b, cet axe correspondant sensiblement à l'axe du jet, avec le plan P pourra être avantageusement compris entre 15 et 45 et préférentiellement égal à 30 . - 9 - Lorsqu'une buse comporte deux orifices calibrés, Les axes centraux de ces orifices pourront faire, avantageusement, entre eux un angle de o Bien entendu, les buses sont fixées de façon interchangeable et elles seront choisies par l'utilisateur en fonction du débit et de la pression du fluide d'irrigation. Des modifications pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, comme le montre la figure 3, les buses d'irrigation telles que 10a pourront être portées par un prolongateur 13 fixe au corps de l'outil par tout moyen connu, tel qu'un clavetage ou un filetage 14. Ce prolongateur pourra faire partie intégrante du corps de l'outil. - 10 - R E V E N D I C AT I O N S 1. - Outil pour Le forage de terrains, comportant: un corps d'outil destiné à être entraîné en rotation par un porte-outil, une cavité étant ménagée dans ce corps pour recevoir à travers le porte-outil un fluide sous pression, une pluralité d'organes tournants portés par le corps de l'outil et munis de dents d'attaque des terrains sur un front de taille, ces dents ayant une hauteur H, le diamètre dudit outil étant D, des moyens d'irrigation adaptés à délivrer au moins un jet fluide d'irrigation dirigé vers le front de taille, ces moyens comportant au moins un premier orifice calibré implanté sur le corps de l'outil, communiquant avec la cavité du corps d'outils et débouchant dans un espace compris entre deux organes tournants adjacents, ledit orifice calibré étant adapté à produire un jet fluide dirigé vers l'un des deux organes tournants entre lesquels est défini ledit premier espace, le centre dudit jet à sa sortie dudit orifice étant situé à une distance d du plan perpendiculaire à l'axe de l'outil passant par le sommet des dents considérées du côté du front de taille, caractérisé en ce que les grandeurs D, H et d sont telles que d > 1,8 H et 0,125 D - 11 - ledit prolongateur étant à une distance minimum t dudit plan, caractérisé en ce que les grandeurs D, H et t sont telles que: t > 1,5 H et 0,1 D 3. - Outil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'irrigation comportent au moins deux orifices calibrés (10c, lo0b; 11b, 11c) adaptés à produire des jets fluides respectivement dirigés vers les deux organes tournants (4, 5; 5, 3) entre lesquels est défini ledit premier espace (10; 11). 4. - Outil selon l'une des revendications 1 à 3 pour lequel les moyens d'irrigations comportent au moins une buse (10a; 10b) d'irrigation supportant ledit ou lesdits orifices calibrés (lOb, 10c; 11b, 11c). 5. - Outil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le jet fluide produit par ledit orifice (lOb; 10c; 11b; 11c) a une orientation sensiblement tangentielle à la surface extérieure desdits organes tournants (4; 5; 5; 3). 6. - Outil selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les organes tournants ont sensiblement une forme conique, caractérisé en ce que ledit orifice: est constitué par des fentes sensiblement parallèles à une génératrice d'un organe tournant. 7. - Outil selon l'une des revendications précédéntes comportant trois organes tournants défi-issant trois espaces compris entre deux organes tournants adjacents, caractérisé en ce que deux seulement desdits espaces (10, 11) sont équipés d'orifices calibrés. 8. - Outil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un seul desdits espaces (12) est exempt de tout orifice d'injection. - 12 - 9. - Outil selon l'une des revendications précédentes, pour lequel Ledit orifice est supporté par une buse, caractérisé en ce que l'axe du jet produit par ledit orifice fait un angle compris entre 15 et 45 avec ledit plan et préférentiellement égal à 30 . 10. - Outil selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit orifice a une forme de fente dont deux des parois définissant la forme interne de ladite fente appartiennent à deux plans faisant entre eux sensiblement un angle de 15 .