Brevet FR2719626A1 — publié le 19951110

Outil de forage anti-bourrage. La présente invention concerne un outil de forage, du type bicône ou tricône, conformé de manière à permettre une bonne évacuation des déblais d'entre les molettes coniques de forage à mesure de leur formation et leur remontée vers la tête du puits, et à éviter ainsi le bourrage de l'outil par accumulation des déblais. On exposera le problème qui est à la base de l'invention dans le cas particulier d'un bicône, mais ce problème se pose également dans les tric8nes et quadricônes. Pour la description qui va suivre on se réfèrera aux figures 1 et 2 annexées qui montrent respectivement une vue en bout d'un bicône classique et une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1. Le bicône 10 comporte un corps sensiblement cylindrique 12 en acier, pourvu à une extrémité d'une portion filetée 14 pour la connection de l'outil à un tubage qui l'entratne en rotation, et à son autre extrémité de deux bras 16, 18 diamétralement opposés et s'étendant sensiblement dans le sens axial. Chaque bras porte une molette conique 24, 26 à plusieurs rangées de dents, dont le sommet est tourné sensiblement vers l'axe de l'outil. Dans les intervalles définis entre les bras sont formées des proéminences tubulaires 23, 25 portant à leur extrémité des duses 27, 29 auxquelles est amené un fluide. Celui-ci est dirigé par les duses soit vers la formation pour la détruire par impact, soit vers les molettes afin de les nettoyer. Les bras et protubérances définissent à l'extrémité inférieure du corps une cavité à fond creux 31. Toutefois, les outils de forage de ce type, qu'ils soient bic8nes ou tricônes, ont l'inconvénient d'être sujets au bourrage, d'une part parce que les déblais ont une tendance naturelle à s'accumuler dans ledit fond creux et ont du mal à remonter le long de la paroi de ladite cavité, d'autre part parce qu'ils ne disposent que d'étroits passages entre les bras et les protubérances pour s'évacuer à l'extérieur de l'outil, et enfin parce que l'espace disponible entre le corps de l'outil et la paroi du trou foré est très restreint. L'évacuation des déblais est donc freinée et ne s'effectue pas toujours aussi rapidement que les déblais se forment. La tendance au bourrage de ces outils est particulièrement importante lorsque la formation est tendre ou collante. Les déblais adhèrent alors aux parois de la cavité et forment une masse compacte et dure qui remplit progressivement toute la cavité, réduisant ainsi l'efficacité des molettes et donc aussi la capacité de l'outil à forer. Cette tendance au bourrage est favorisée par le fait que la paroi de la cavité se raccorde à la paroi cylindrique extérieure du corps le long d'arêtes plus ou moins vives qui offrent une prise aux déblais. Le brevet US 1 263 802 tente de remédier à ce problème, dans le cas d'un outil de forage bic8ne, en proposant de fixer sur l'outil, des pièces formant calandre pourvues de saillies qui s'insèrent dans les intervalles définis entre les molettes coniques et qui réduisent de ce fait le volume de la cavité de l'outil. Toutefois, cette solution conduit à un résultat contraire à celui recherché, puisque ces pièces réduisent en même temps la section de passage des intervalles à travers lesquels les déblais s'évacuent. Avec un tel outil, il se produit donc rapidement un bourrage de la cavité. Le brevet DE 1 223 779 propose de son c8té, pour résoudre le problème considéré, d'équiper un bic8ne d'une plaque hélicoïdale déflectrice destinée à guider l'évacuation des déblais vers l'extérieur de l'outil. Mais en pratique, cette plaque forme avec les deux molettes et le corps de l'outil un volume confiné dans lequel les déblais sont piégés. Une autre solution au problème considéré est apportée par le brevet US 4 285 409 qui concerne un bic8ne obtenu en supprimant l'une des molettes sur l'un des bras d'un tric8ne et en plaçant sur le bras ainsi libéré une rangée de picots en diamant PDC et une rangée de duses. Toutefois, le piège à déblais reste encore présent dans cet outil, puisque les intervalles entre les trois bras de l'outil sont étroits et gênent l'évacuation des déblais. La présente invention a pour but de remédier à l'inconvénient susmentionné et propose donc un outil de forage dans lequel il ne se produit pratiquement pas de bourrage. L'invention concerne un outil de forage comprenant un corps en acier à paroi extérieure sensiblement cylindrique, pourvu à une première extrémité d'un filetage et à sa deuxième extrémité de bras s'étendant sensiblement dans le sens axial, répartis régulièrement autour du corps et sur lesquels sont montés tourillonnants des molettes coniques dentées, dont les axes sont tournés sensiblement vers l'axe de l'outil, caractérisé en ce que: - la paroi de fond de l'outil située à ladite seconde extrémité du corps présente un profil saillant en forme de d8me, par exemple parabolique, hémisphérique ou tronconique, pourvu de surfaces inclinées qui se raccordent en un sommet se trouvant sensiblement dans l'axe de l'outil, lesdites surfaces inclinées remontant vers la paroi cylindrique extérieure du corps, à travers les intervalles compris entre les bras avec des formes douces et dépourvues d'arêtes ou d'obstacles, lesdits intervalles sont libres de tout élément saillant et sont largement ouverts vers l'extérieur de l'outil, - lesdites surfaces inclinées se raccordent aux parois des bras par des surfaces douces, - à l'extrémité de chaque bras peut être fixée au moins une duse en extension pour l'émission d'un jet de liquide, et - sur lesdites surfaces inclinées sont également fixées des duses. Grâce à cet ensemble de caractéristiques, les pièges à déblais de la technique antérieure sont éliminés. En effet, la surface en forme de d8me de la paroi de fond favorise la remontée des déblais vers la paroi extérieure de l'outil sans recirculation des déblais entre les molettes. De plus, les duses en extension et les duses des surfaces inclinées empêchent les déblais d'adhérer sur le corps de l'outil et sur les surfaces inclinées et les chassent vers les intervalles dégagés compris entre les bras. En outre, les duses en extension des bras sont proches de la formation et des molettes et peuvent donc les attaquer avec un maximum d'efficacité. Selon un mode de réalisation de l'outil, les duses situées sur les surfaces inclinées sont également saillantes. Ceci permet d'obtenir, en combinaison avec les duses en extension qui se trouvent sur les bras, un impact hydraulique important sur la formation et donc une grande vitesse d'avancement de l'outil. Dans une variante de réalisation, les duses situées sur les surfaces inclinées sont rasantes, c'est-à-dire qu'elles ne font pas saillie par rapport auxdites surfaces. Un avantage de cette caractéristique est que les intervalles compris entre les bras sont lisses et ne comportent plus d'obstacle pour l'évacuation des déblais. De plus, en raison de la suppression de duses saillantes dans les intervalles compris entre les bras, l'encombrement radial du corps de l'outil dans lesdits intervalles peut être notablement réduit. Toutes les portions du corps comprises dans ces intervalles peuvent en effet être évidées de manière à donner au corps de l'outil une forme allongée en section transversale. L'avantage de cette forme est qu'il reste disponible entre l'outil et la paroi du trou foré un espace libre important par lequel les déblais peuvent remonter. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, adapté au cas o les axes des molettes sont décalés angulairement par rapport à l'axe longitudinal de l'outil, les duses portées par les bras sont positionnées du c8té du bord du bras opposé au sens du décalage angulaire. Cette position est avantageuse car elle met à profit le dégagement supplémentaire formé entre les bras par suite du décalage angulaire. Il est donc préférable de placer les duses du côté de ce dégagement plut8t que l'autre c8té o elles risqueraient de restreindre le passage entre les bras. Un mode de réalisation de l'outil sera décrit à présent à titre d'exemple non limitatif en regard des dessins annexés dans lesquels: la figure 3 est une vue en élévation d'un outil de forage bic8ne selon l'invention, la figure 4 est une vue par le bas de l'outil de la figure 3, la figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne V- V de la figure 4, et la figure 6 montre une vue partielle en coupe d'une variante de réalisation du corps de l'outil. Pour une meilleure compréhension de l'invention et pour une plus grande simplification des dessins, on expliquera l'invention à propos d'un bicône, mais comme on le comprendra, l'invention peut s'appliquer également à un tric8ne avec des adaptations de formes évidentes pour l'homme de l'art. Avec référence aux figures 3 à 5, l'outil de forage comprend un corps 12 en acier à paroi extérieure 13 sensiblement cylindrique se terminant à son extrémité supérieure par une portion filetée 14 par laquelle l'outil est connecté à l'extrémité d'un tubage, non représenté, lui-même entratné par des moyens moteurs. Du corps se détachent vers le bas, deux bras 16, 18 qui s'étendent sensiblement dans la direction axiale de l'outil, à la périphérie du corps, et qui sont symétriques par rapport à l'axe x-x de l'outil. Les bras ont des faces extérieures respectives 20 sensiblement cylindriques et situées sur un même cylindre, et des faces intérieures 22 sensiblement plates. Sur ces dernières font saillie des tourillons, non représentés, autour desquels peuvent tourner deux molettes coniques 24, 26 pourvues de plusieurs rangées de dents, non représentées. Dans l'exemple représenté, les axes des molettes sont inclinés vers le bas (figure 3) et sont décalés angulairement par rapport à l'axe x-x (figure 4) d'un angle prédéterminé e orienté dans le sens inverse du sens de rotation f de l'outil, mais comme on le verra par la suite, l'invention s'applique également au cas o les molettes ne sont pas décalées angulairement. Comme le montre la figure 4 et encore plus clairement la figure 5, la surface inférieure du corps a un profil saillant en forme de d8me parabolique 38. Ceprofil présente deux flancs inclinés convexes 30, 32 qui remontent en pente douce, à travers les intervalles libres définis entre les bras 16, 18 pour se raccorder à la paroi cylindrique 12 du corps sans former d'arête. Les flancs se rejoignent en un sommet 39 qui se trouve sensiblement sur l'axe x-x, et se raccordent aux faces intérieures 22 des bras par des surfaces arrondies à formes douces. Le d8me 38 peut également être hémisphérique ou tronconique. De plus, comme le montre la variante de réalisation de la figure 6, les flancs 30', 32' peuvent présenter une légère concavité. Comme le montre la figure 4, chacun des bras comporte à son extrémité un épaississement du bord axial 40 qui est opposé au sens du décalage angulaire. A l'extrémité de la zone épaissie du bras est fixée au moins une duse en extension 42, qui est reliée, par l'intermédiaire d'un canal 46 percé dans le bras, à un alésage axial 50 formé dans le corps de l'outil. Un fluide sous pression est envoyé depuis la tête du puits à la duse 42. Celle-ci peut être orientée vers le fond du puits et émettre un jet puissant capable de détruire la formation par impact ou être dirigée vers la molette voisine 24 ou vers la molette opposée 26. Sur les surfaces inclinées 30, 32 du d8me, sont insérées des duses rases 52, 54, c'est-à-dire des duses dont l'orifice de sortie se trouve à l'affleurement de la surface du d8me de manière qu'elles ne forment aucune aspérité susceptible de piéger les déblais. Dans une variante de réalisation non représentée, les duses des surfaces inclinées peuvent être saillantes, de manière à ce qu'elles exercent un impact hydraulique important sur la formation. Dans le cas d'un outil sans décalage angulaire des molettes, les duses 42 pourront être indifféremment fixées du c8té de l'un ou l'autre des bords axiaux des bras. L'outil selon l'invention présente les avantages suivants: - il ne comporte plus de piège à déblais, puisque les surfaces 30, 32 du d8me ont des formes arrondies, dépourvues d'arêtes ou d'obstacles, et remontent régulièrement vers la paroi cylindrique du corps, de sorte que les déblais peuvent être entrainés par le fluide et remonter le long desdites surfaces, sans que rien ne les retienne, - le positionnement des duses 42, à l'extrémité des bras 16, 18 permet de dégager complètement les intervalles compris entre ces derniers et donc d'améliorer davantage l'évacuation des déblais, - comme le montre la figure 4, la suppression des duses en extension dans les intervalles compris entre les bras, permet de donner au corps de l'outil une forme à encombrement radial plus réduit. Les parois latérales 58, de l'outil au niveau desdits intervalles peuvent être plus resserrées, de manière à définir entre elles et la paroi cylindrique du trou foré 62 un espace libre 64 important à travers lequel les déblais peuvent remonter. On peut noter l'importance de cet espace libre 64 en le comparant avec celui 64' du bicône de la technique antérieure (figure 1), - le positionnement des duses en extension à l'extrémité des bras augmente leur efficacité, puisqu'elles sont de ce fait plus proches des molettes et de la formation, - en décalant angulairement l'axe des molettes, on agrandit la section de passage des intervalles compris entre les bras, et l'on met à profit l'emplacement nouveau ainsi créé pour y placer la partie épaissie 40 des bras dans laquelle les duses sont fixées, - on peut jouer sur l'orientation mutuelle des duses fixées sur les bras et celles fixées sur le d8me pour obtenir des jets dirigés sur la formation et/ou sur les molettes ou dans toute autre direction. Toutes les caractéristiques susmentionnées sont transposables sur un tricône ou sur un quadric8ne. REVENDICATIONS 1. Outil de forage comprenant un corps en acier (12) à paroi extérieure (13) sensiblement cylindrique, pourvu à une première extrémité d'un filetage (14) et à sa deuxième extrémité de bras (16, 18) s'étendant sensiblement dans le sens axial, répartis régulièrement autour du corps et sur lesquels sont montés tourillonnants des molettes coniques dentées (24, 26), dont les axes sont tournés vers l'axe de l'outil, caractérisé en ce que: - la paroi de fond de l'outil située à ladite deuxième extrémité du corps présente un profil saillant en forme de d8me, par exemple parabolique, hémisphérique ou tronconique (38), pourvu de surfaces inclinées (30, 32) qui se raccordent en un sommet (39) se trouvant sensiblement dans l'axe (x-x) de l'outil, lesdites surfaces remontant vers la paroi cylindrique extérieure (13) du corps à travers les intervalles compris entre les bras (16, 18), avec des formes douces et dépourvues d'arêtes ou d'obstacles, - lesdits intervalles sont libres de tout élément saillant et sont largement ouverts vers l'extérieur de l'outil, - lesdites surfaces inclinées (30, 32) se raccordent aux parois des bras par des surfaces douces, - à l'extrémité de chaque bras est fixée au moins une duse en extension (42) pour l'émission d'un jet de liquide, et - sur lesdites surfaces inclinées sont également fixées des duses (52, 54). 2. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites surfaces inclinées (30, 32) sont convexes. 3. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites surfaces inclinées (30, 32) présentent une légère concavité. 4. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le cas o les axes des molettes (24, 26) sont décalés angulairement par rapport à l'axe longitudinal (x-x) de l'outil, chaque duse (42) en extension est positionnée du côté du bord longitudinal (40) du bras qui est opposé au sens du décalage angulaire (e) des molettes. 5. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les duses (52, 54) situées sur les surfaces inclinées sont rases, c'est-à-dire qu'elles ne font pas saillie par rapport auxdites surfaces. 6. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les duses situées sur les surfaces inclinées sont en saillie par rapport à celles-ci.