Brevet FR2677699A1 — publié le 19921218

Outil de forage à molettes coniques rotatives. La présente invention concerne un outil de forage à molettes, tel que bicône, tricône, etc, ayant des caractéristiques de coupe très améliorées par rapport aux outils de la technique antérieure. Dans la suite, on se référera pour fixer les idées, uniquement aux tricônes, c'est-à-dire aux outils de forage à trois molettes, mais l'invention s'applique également aux outils de forage ayant un nombre quelconque de molettes. Pour mieux comprendre les perfectionnements apportés par l'invention aux outils de forage à molettes de la technique antérieure, on décrira ciaprès un exemple de tricône connu en regard des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective du tricône; et la figure 2 est une vue du tricône à partir de l'extrémité inférieure, les dents ou picots ayant été omises pour la simplicité du dessin. Le tricône 10 comprend un corps tubulaire 12 en acier, fixé à l'extrémité d'un tubage, non représenté, qui l'entraîne en rotation autour de son axe x-x Dans l'ouverture inférieure du corps sont montées rotatives librement, trois molettes coniques 14, 16, 18, en acier, dont les sommets sont tournés vers l'axe de l'outil Les molettes présentent des paliers annulaires 20 garnis de rangées de dents 22 qui peuvent être, soit usinées dans la masse, puis recouvertes d'une couche de carbure de tungstène, soit constituées par des picots en carbure de tungstène sertis dans des trous usinés dans la paroi de la molette. Comme le montre clairement la figure 2, les axes des molettes ne convergent pas exactement sur l'axe x-x de l'outil, mais il en sont décalés respectivement d'une distance d que l'on appellera ci-après entr'axe Ce décalage peut également être caractérisé par l'angle ( que fait l'axe d'une molette avec le plan radial de l'outil qui contient le centre de la base de ladite molette On désignera ci-après cet angle par décalage angulaire Comme on le sait, grâce audit décalage, les molettes exercent une action de ripage ou d'abrasion sur la roche, et plus l'angle crû est élevé, plus cette action est énergique. Lorsque les molettes 14, 16, 18 sont au contact de la roche, la rotation de l'outil, par exemple dans le sens de la flèche f sur la figure 2, entraîne la rotation des trois molettes respectivement dans le sens des flèches indiquées sur la figure 2. Il existe deux types d'outils à molettes: ) Les outils dont les molettes présentent un décalage angulaire élevé Ces outils sont efficaces pour le forage de roches tendres à moyennement tendres, mais moins quand il s'agit de forer des roches dures, car en raison du ripage sur la roche, les dents ou picots des molettes s'usent rapidement Les outils selon ce premier type détruisent la roche par les trois actions suivantes: par impact, chaque fois qu'une nouvelle dent 22 percute la roche, par poinçonnement, sous l'action de la force axiale Fv qui s'exerce sur l'outil 10, et par abrasion-cisaillement en raison du ripage des picots sur la roche, 2 ) les outils dont les molettes ont un décalage angulaire nul, faible ou modéré Dans ce cas, la roche est détruite seulement par les deux premières actions susmentionnées Les picots de cette seconde catégorie peuvent avantageusement être diamantés, mais malgré tout l'efficacité de l'outil est très réduite du fait qu'il n'y a pas de destruction par ripage. La présente invention a pour but d'améliorer l'efficacité des outils à molettes, tels que bicône, tricône, etc aussi bien ceux ayant un décalage angulaire nul, faible ou modéré, que ceux ayant un décalage angulaire élevé et qui ont donc un ripage important, ces derniers pouvant néanmoins être utilisés avec des roches dures, sans pour autant entraîner l'usure des dents ou picots. Selon l'invention, chaque dent ou picot comprend une zone arrière ou d'impact par laquelle le picot entre en contact avec la roche, une zone centrale ou de glissement, et une zone avant ou de cisaillement qui entre en contact avec la roche en dernier lieu, avant le basculement sur la dent ou le picot suivant, au moins un élément diamanté étant placé sur ladite zone avant et éventuellement sur ladit zone intermédiaire, mais pas sur ladite zone arrière. On sait en effet que l'utilisation d'éléments diamantés en tant que corps très durs augmente notablement la durée de vie des dents et picots, tant qu'il n'y a pas de chocs. Chaque élément diamanté peut être constitué par un diamant naturel ou synthétique ou par une concrétion diamantée, par exemple une plaquette de polydiamant cristallin ou PDC. En d'autres termes, l'idée de l'invention consiste à placer des éléments diamantés seulement dans les zones de la dent ou du picot o il se produit un ripage, un frottement, un glissement, un poinçonnement, ou un cisaillement La zone arrière par laquelle la dent ou le picot percute la roche, est dépourvue d'élément diamanté car celui-ci serait détruit sous l'action du choc. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit à présent en regard des dessins annexés dans lesquels: la figure 3 est une vue de profil, partiellement en coupe, d'un picot muni d'un élément diamanté sur sa zone avant et d'un élément diamanté sur sa zone centrale; les figures 4 à 7 sont des vues de face de diverses formes de réalisation du picot, vues depuis la gauche sur la figure 3; les figures 8 à 11 montrent quatre phases successives de l'action du picot de la figure 3, sur une roche; les figures 12 et 13 représentent respectivement une vue en plan par le haut et une vue de profil d'un picot présentant un angle biais vers l'intérieur de l'outil; la figure 14 montre un picot faisant un angle biais vers l'extérieur de l'outil; et la figure 15 représente une dent usinée et munie d'un élément diamanté. Le picot 22 représenté à la figure 3 est sensiblement cylindrique et l'une de ses extrémités est fixée dans une molette 14 d'un outil, non représenté, qui est supposé être entraîné en rotation autour d'un axe vertical, dans le sens de la flèche f de la figure 3 La molette elle-même roule sur la roche 26 dans le sens de rotation f'(figure 4). Par rapport au sens de rotation f de l'outil, on distingue à l'extrémité de chaque picot 22, une zone arrière ou d'impact 24 par laquelle le picot entre en contact avec la roche 26, une zone centrale ou de glissement 28 de forme arrondie dans le sens longitudinal ou plane, et une zone avant ou de cisaillement 30 qui entre en contact la dernière avec la roche, avant le basculement sur le picot suivant. Dans la zone avant 30 est serti ou brasé un élément diamanté 32, par exemple un diamant naturel, ou un diamant synthétique ou une concrétion diamantée telle qu'une plaquette de polydiamant cristallin ou PDC, destiné à assurer une plus grande efficacité du picot en cisaillement, en abrasion ou au poinconnement Les figures 4 à 7 montrent des exemples de forme d'élément diamanté. On définit l'angle d'attaque Y que fait le plan de la plaquette et le plan 40 perpendiculaire à la roche et passant par le point de contact du PDC avec la roche. Dans le mode de réalisation de la figure 3, l'élément diamanté 32 est dit "agressif" parce qu'il fait un angle d'attaque Y positif important (entre 10 à 400) avec la roche Ici, l'élément diamanté est utilisé pour cisailler la roche Son comportement est proche de celui d'un taillant d'outil trépan à lames, la seule différence étant que l'angle d'attaque évolue pendant la rotation du cône, comme il ressort des figures 8 à 11. L'angle d'attaque Y peut être négatif Dans ce cas, sa face avant se trouve en arrière par rapport à la normale à la formation rocheuse. Avec les outils ayant un décalage angulaire important, il se produit durant le forage, les quatre phases de destruction suivantes, respectivement illustrées par les figures 8 à 11, selon la zone du picot qui est en contact avec la roche: 1 au moment o le picot 22 arrive en contact avec la roche 26 (figure 8), il y a essentiellement destruction par impact et par poinçonnement, provoquée par la zone arrière 24 du picot Cette zone doit avoir des qualités de résistance aux chocs et de dureté Le carbure de tungstène reste un matériau très adapté à cette fonction; 2 après l'impact, le picot 22 glisse sur la roche. Le poids se répartit sur la zone centrale 28 du picot (figure 9) Cette zone doit être dure et résistante à l'abrasion Dans cette phase, la destruction de la roche se fait par ripage-abrasion et par poinçonnement; 3 la partie avant 30 du picot détruit la roche par cisaillement (figure 10) L'angle d'attaque est évolutif et le temps d'action est très court; 4 le picot 22 continuant de tourner, c'est son bord arrière qui cisaille la roche (figure 11). L'élément diamanté peut également faire avec la roche un angle biais P compris entre O et 45 . Dans le mode de réalisation des figures 12 et 13, l'angle biais 13 est orienté vers l'intérieur de l'outil. Le point 33 représente l'axe de rotation de la molette. Dans le mode de réalisation de la figure 14, l'angle biais est orienté vers l'extérieur de l'outil. Les picots peuvent également être munis, sur la zone centrale 28, d'un élément diamanté 34 ou de plusieurs rangées linéaires d'éléments diamantés L'élément diamanté 34 est disposé immédiatement à la suite de la zone d'impact 24. A la place de picots, les cônes peuvent comporter des dents 36 taillées dans la masse, comme le montre la figure 15. Il va de soi que des éléments diamantés peuvent être fixés sur les dents ou picots même dans le cas o le décalage angulaire est nul. Ainsi, l'invention a permis d'améliorer la résistance à l'usure des dents ou des picots des molettes. Elle permet un travail par cisaillement beaucoup plus intense et efficace, un travail avec un décalage angulaire plus élevé, sans augmenter le niveau d'usure, ainsi qu'une destruction par cisaillement plus accentuée Elle s'applique aussi bien aux molettes à décalage angulaire élevé qu'à celles ayant un décalage angulaire faible ou nul, par le fait que l'on peut placer des éléments diamantés dans les parties des dents ou picots, autres que celles sur lesquelles se produit un impact ou une percussion sur la roche. REVENDICATIONS 1 Outil de forage ( 10) à molettes coniques rotatives ( 14, 16, 18), tels que bicône, tricône, du type dans lequel chaque molette est pourvue de plusieurs rangées circulaires de dents ( 36) usinées dans la masse ou de picots sertis ( 22), par exemple en carbure de tungstène, chaque picot ou dent présentant à son extrémité, successivement dans le sens o il (elle) roule sur la roche ( 26), une zone arrière ou d'impact ( 24), une zone centrale ( 28) de forme arrondie dans le sens longitudinal ou plane et une zone avant ( 30) qui entre en contact avec la roche en dernier lieu, avant le basculement sur la dent ou le picot suivant, caractérisé en ce que les dents ou les picots ( 22) sont munis d'éléments diamantés ( 32, 34) sur ladite zone avant ( 30) et éventuellement sur ladite zone centrale ( 28), mais pas sur ladite zone arrière ( 24). 2 Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments diamantés ( 32, 34) sont constitués par des diamants naturels ou par des diamants synthétiques ou par des concrétions diamantées, telles que des plaquettes de polydiamants cristallins, fixés sur le picot ou la dent. 3 Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone centrale ( 28) est munie de plusieurs rangées linéaires d'éléments diamantés. 4 Outil de forage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les axes des molettes ( 14, 16, 18) font un angle (o le centre de la base de la molette. Outil de forage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les axes des molettes ( 14, 16, 18) ont un décalage angulaire nul.