Brevet FR2613764A1 — publié le 19881014

Trépan de forage à staDilisateur forgé d'une seule pièce. 1. Domaine de l'invention. La présente invention concerne des trépans destinés à forer dans des roches et d'autres formations dures pour le forage de puits de pétrole et, en parti- culier, des trépans rotatifs comportant des bras suspendus portant des organes de coupe montés à rotation sur des tourillons qui s'étendent vers l'inté- rieur et vers le bas depuis les côtés intérieurs des bras. 2. Description de la technique connue. Des trépans de forage de ce type sont habi- tuellement suspendus à la tige de forage qui s'étend vers le bas depuis l'appareil de forage installé à la surface. Généralement, le train de tiges de forage est entratné en rotation par l'appareil de forage et ce mouvement de rotation est transmis au trépan se trouvant au fond du puits. Dans certains cas, la rotation du trépan est assurée au moyen d'un moteur à fluide monté sur l'extrémité inférieure du train de tiges de forage juste au-dessus du trépan. Dans les deux cas, le train de tiges de forage, dont le diamètre est inférieur à celui du puits en cours de forage, est sujet à un battement latéral ou à un autre mouvement qui introduit dans le train de tiges de forage une certaine angularité qui est communiquée, dans une certaine mesure, au trépan lui-même. Ceci provoque une inclinaison du trépan entraînant une pression excessive des parties inférieures des Dras du trépan contre la formation lorsque le trépan tourne. Ce phénomène est encore plus critique dans un forage dirigé dans lequel le trépan est orienté à des angles extrêmes par rapport à la verticale. En raison des contraintes physiques régnant dans le puits en cours de forage, les trépans étaient initialement construits avec des bras relati- vement minces. Cela étant, le trépan en cours de rotation travaillait avec un mouvement d'oscillation ou de branlement latéral excessif qui réduisait fortement la durée de vie utile du trépan, car la partie infé- rieure des oras s'usait rapidement, entraînant une détérioration des moyens d'étanchéité et/ou des paliers. Des stabilisateurs pour le train de tiges de forage ont déjà été utilisés, mais ils étaient installés audessus du trépan, à une certaine distance de celui-ci, de sorte que ce trépan était encore à même de se déplacer ou de s'incliner latéralement. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique nô 3 628 616 évite certaines de ces difficultés en prévoyant des moyens de stabilisation directement sur le trépan, ce qui élimine la nécessité d'utiliser des raccords supplémentaires et réduit fortement le mouvement d'oscillation du trépan. Ces moyens de stabilisation sont constitués de patins en métal dur soudés directement sur la partie supérieure du corps du trépan. Ces patins sont d'une épaisseur suffisante pour prolonger sensiblement la durée de vie du trépan, tout en maintenant le diamètre du corps supérieur du trépan dans les limites déterminées par le trajet de coupe diamétrale ou l'alésage décrit par les organes de coupe rotatifs. De plus, ce type de structure à patin soudé présente nécessairement des arêtes vives qui créent des zones d'accroissement des contraintes sur le bras. Ceci est évidemment indésirable, car la résistance à la fatigue en est fortement abaissée, suite à l'entaille mécanique créée par le soudage dans la partie la plus faible du bras. De plus, on a constaté que, pendant le fonc- tionnement, des débits élevés de fluide de forage peuvent éliminer le patin du type "plaquette" soudé par érosion. Un autre inconvénient de la structure décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 628 616 est que la partie inférieure du patin, avec sa surface droite, forme une digue entravant l'écoulement vers le haut du fluide de forage dans le passage annulaire du puits. Ceci crée, à son tour, des pressions excessives et entraîne une érosion accrue des parties inférieures des bras du trépan. Le type de trépan décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 628 616 comprend également plusieurs mises rapportées en carbure de tungstène sur le patin d'usure. Cependant, ces mises rapportées ont tendance à se fissurer et à s'user de manière exces- sive, en service. Résumé de l'invention. L'invention évite les inconvénients mentionnés plus haut en prévoyant des moyens stabilisateurs forgés d'une seule pièce sur le corps du trépan de forage. On réalise cette construction en préfaçonnant les bossages stabilisateurs sur les bras forgés. La section infé- rieure de chaque bossage stabilisateur est arrondie vers ses côtés extérieurs et est destinée à coopérer avec une partie en retrait du corps du trépan de forage située en dessous du bossage pour créer un canal d'écoulement partant des extrémités inférieures du corps du trépan. Un avantage majeur de cette construction est qu'elle donne un corps de trépan métallurgiquement solide qui résiste à un bris. De plus, de par leur nature forgée, les bossages accusent une augmentation substantielle de leur ténacité et de leur fiabilité par une amélioration de la structure du grain dans le métal. Grâce à cette conception, le grain du métal fibreux est aligné parallèlement aux contraintes et aux charges d'impact les plus importantes qui seront imposées sur le bras. En tirant profit du fluage du métal pendant le processus de forgeage, on obtient des propriétés mécaniques maxima dans les sections soumises aux contraintes critiques. La configuration d'une telle construction peut également être optimisée pour offrir une bonne stabili- sation, tout en améliorant la circulation du fluide et l'évacuation des débris grâce à la construction du canal d'écoulement. Un autre avantage de l'invention est que la 13 construction forgée fournit une pièce facile à usiner qui peut être tournée à n'importe quel diamètre et exige moins d'opérations que les bras soudés. L'invention utilise également des compacts de diamant polycristallin pressés dans les bossages 23 stabilisateurs pour maximaliser la résistance à l'usure. Ces pièces ou mises rapportées peuvent être d'une configuration plane ou courbe et être disposées au ras de la surface du bossage ou en saillie par rapport à celle-ci. L'avantage des mises rapportées courbes qui sont en saillie par rapport aux bossages est que l'espace annulaire disponible pour le passage des débris est accru. Cette construction offre également une taille effective secondaire qui contribue au maintien du diamètre du puits foré. De plus, le couple engendré est moindre grâce à une réduction de l'aire en contact avec la paroi du puits. Brève description des dessins. La Fig. 1 est une vue en perspective du trépan de forage conforme à l'invention; la Fig. 2 est une vue en coupe, à plus grande échelle, d'un des bras du trépan de forage suivant la ligne 3-3 de la Fig. 1; la Fig. 3 est une vue en coupe de la pièce forgée utilisée pour former le bras; la Fig. 4 est une vue de côté, à plus grande échelle, du bras; la Fig. 5 est une vue fragmentaire, à plus grande échelle, du bossage stabilisateur conforme à l'invention, et la Fig. 6 est une vue fragmentaire, à plus grande échelle, d'une seconde forme d'exécution du bossage stabilisateur conforme à l'invention. Description détaillée de la forme d'exécution préférée. La Fig. 1 illustre un trépan 10 comportant un corps 12 et un Dout mâle fileté 14 qui peut être vissé dans l'extrémité inférieure d'un train de tiges de forage. Des bras 16 s'étendent vers le bas à partir du corps de trépan 12. Comme le montre la Fig. 2, chaque bras 16 comporte un tourillon 18 dirigé vers l'inté- rieur et vers le bas destiné à supporter à rotation un organe de coupe illustré en 20, en traits interrompus, sur la Fig. 2. Les organes de coupe 20 sont orientés de manière à décrire un trajet circulaire dont le diamètre extérieur forme le diamètre effectif du trépan. La base du tourillon 18 est définie par une surface de révolution 22 disposée dans un plan perpen- diculaire à l'axe -longitudinal du tourillon 13. La surface de révolution 22 et l'extrémité inférieure du bras 16 définissent une partie de bras inférieure conique relativement mince connue sous le nom de talon 24. L'extrémité radiale du talon 24 ne s'étend pas en dehors du diamètre extérieur du trépan 10, mais reste espacée des parois latérales du puits foré. Des bossages stabilisateurs 30 sont formés sur la partie supérieure de chaque bras 16 et s'étendent radialement vers l'extérieur en substance jusqu'au diamètre effectif du trépan 10. La Fig. 3 illustre une pièce forgée 40 pour un des bras 16. La pièce forgée 40 comprend une section de dôme 41, une section de tourillon 42, une section de talon 43 et une section stabilisatrice 44. La section de tourillon 42 est usinée pour former le tourillon 18 et la surface de révolution 22, comme le montre la Fig. 2. La section de talon 43 est également usinée afin d'éliminer une partie du métal, représentée en traits interrompus, de la pièce forgée , pour former le talon 24. Ceci est très clairement représenté sur- la Fig. 4. La pièce forgée 40 est également tournée pour éliminer une partie de la section stabilisatrice 44, représentée en traits interrompus, pour former le bossage stabilisateur 30. Trois pièces forgées de bras de ce genre sont assemblées par soudage pour former le trépan à roches. Comme le montre la Fig. 1, la partie infé- rieure de chaque bossage stabilisateur 30 forme une partie arrondie 51 qui se courbe vers le haut pour se raccorder aux côtés 53 du bossage 30. Cette partie arrondie 51 coopère avec une partie en retrait 55 formée sur le bras 16 pour créer un canal d'écoulement favorisant l'écoulement du fluide de forage depuis la zone entourant le talon 24 vers le haut autour du bossage stabilisateur 30. Le fluide de forage (non représenté) pénètre dans le puits par plusieurs ajutages 60 qui traversent le corps de trépan 12. Comme le montrent à nouveau les Fig. 1 et 2, un système de lubrification est également représenté et comporte un réservoir 61 contenant un égalisateur de pression 62. Le premier côté de l'égalisateur commu- nique avec l'extérieur du trépan par des lumières 63 ménagées dans un chapeau 65. L'autre côté de l'égali- sateur 62 communique avec l'intérieur de la chambre de roulement par des passages 66 et 67. Du lubrifiant (non représenté) remplit complètement le réservoir 61, les passages 66 et 67 et la cavité de roulement. La Fig. 4 illustre plus clairement plusieurs forures 45 destinées à recevoir des mises rapportées 46. Chaque mise rapportée 46 est, de préférence, faite de diamant polycristallin et sa surface extérieure 47 peut être en substance plane pour être disposée au ras de la surface extérieure du bossage stabilisateur 30 (voir Fig. 5). En variante, chaque mise rapportée 46 peut également comporter des saillies extérieures courbes 48 qui s'étendent au-delà de la surface extérieure du bossage stabilisateur 30 (voir Fig. 6). De plus, chaque mise rapportée 46 peut être faite entièrement de diamant polycristallin ou peut comprendre une plaquette orasée sur une emoase en carbure de tungstène. En fonctionnement, on a constaté que des bossages stabilisateurs 30 venus d'une pièce ont permis d'éviter Don nomDre des inconvénients rencontrés dans les constructions connues. De plus, les mises rapportées en diamant 46 entraînent une forte réduction de l'usure du bossage stabilisateur, ce qui augmente nettement la durée de vie utile du trépan de forage. Bien entendu, l'invention n'est en aucune manière limitée aux détails d'exécution décrits plus haut auxquels de nombreux changements et modifications peuvent être apportés sans sortir de son cadre. R E V E N D I C A T I ON S 1.- Trépan de forage comprenant un corps de trépan (10) comportant une partie principale (12) et plusieurs bras (16) qui s'étendent vers le bas à partir de celle-ci, l'extrémité inférieure de chaque Dras comportant une extrémité conique relativement mince habituellement connue sous le nom de talon (24), un organe de coupe (20) monté à rotation sur chaque Dras, les organes de coupe, lors de la rotation du corps de trépan, définissant un trajet de coupe circulaire, le diamètre extérieur des organes de coupe formant le diamètre extérieur du trépan, et caractérisé en ce que: le corps principal (12) comprend, en outre, un bossage stabilisateur (30) forgé d'une seule pièce sur ce corps directement au- dessus de chaque bras, chaque bossage s'étendant radialement vers l'extérieur du corps principal en substance jusqu'au même diamètre que celui du trajet de coupe circulaire, et un canal d'écoulement ménagé le long des bords inférieurs et latéraux de chaque bossage pour accroître l'écoulement du fluide à partir de la zone entourant chaque talon, vers le haut autour de chaque bossage stabilisateur. 2.- Trépan de forage suivant la revendi- cation 1, dans lequel le canal d'écoulement est carac- térisé par une surface couroe formée sur la partie inférieure de chaque bossage stabilisateur (30). 3.- Trépan de forage suivant la revendi- cation 2, dans lequel le canal d'écoulement est, en outre, caractérisé par une partie radialement en retrait formée sur le corps principal directement en dessous de chaque bossage stabilisateur (30). 4.- Trépan de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé, en outre, par plusieurs mises rapportées en diamant polycristallin (46) montées dans la surface de chaque Dras stabilisateur. 5.- Trépan de forage suivant la revendi- cation 4, dans lequel chaque mise rapportée en diamant polycristallin (46) est caractérisée par une surface d'appui plane située en substance au niveau de la surface du Dras stabilisateur. 6.- Trépan suivant la revendication 4, dans lequel chaque mise rapportée en diamant polycristallin (46) est caractérisée par une surface d'appui courbe qui s'étend ad-delà de la surface du Dossage stabili- sateur (30). 7.- Procédé pour faDriquer un trépan de forage rotatif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que: on forge plusieurs éléments comportant des corps supérieurs (12) et des bras inférieurs (16), on usine chaque élément pour former un talon (24) sur chaque Dras inférieur (16), on usine chaque élément pour former des tourillons (18), on prévoit un organe de coupe (20) destiné à être monté à rotation sur chaque tourillon (18), et on oriente et on assemble les éléments en une structure d'une seule pièce telle que les organes de coupe présentent une extension extérieure définissant le diamètre extérieur de l'outil et que les bossages stabilisateurs s'étendent radialement vers l'extérieur en substance jusqu'au même diamètre que les organes de coupe. 8.- Procédé pour fabriquer le trépan de forage rotatif suivant la revendication 7, caractérisé, en outre, en ce que: on forge plusieurs logements dans la surface de chaque bossage stabilisateur, et on place une mise rapportée en dlamant poly- cristallin dans chaque forure.