Brevet FR2752597A1 — publié le 19980227

1. Domaine de l'invention L'invention concerne de façon générale la structure dentée de trépans de forage du sol du type à organes de coupe roulants. La présente invention vise plus particulièrement à améliorer la résistance à l'usure de trépans de forage du sol à denture-fraise ou denture d'acier. 2. Informations sur l'art antérieur: Le succès du forage rotatif ou forage rotary a permis la découverte de réserves de pétrole et de gaz à grande profondeur. Le trépan rotatif à molette a été une invention importante qui a rendu ce succès possible. Le trépan à lame, plus ancien, n'avait d'utilité que pour pénétrer dans des formations tendres, alors que le trépan original à molettes coniques roulantes, inventé par Howard R. Hughes, brevet des E.U.A. N 939 759, a foré la roche dure de couverture du champ de Spindletop, à proximité de Beaumont, Texas, de façon relativement aisée. Cette invention ancienne, qui date de la première décennie de ce siècle, ne pouvait forer que sur une faible fraction de la profondeur atteinte par le trépan rotatif à molettes moderne et qu'à une faible fraction de sa vitesse. Si l'outil de forage original de Hughes forait pendant des heures, l'outil moderne fore pendant des jours. Les outils actuels forent souvent sur des kilomètres. De nombreux perfectionnements individuels ont contribué à l'amélioration globale impressionnante des performances des outils à molette. Les trépans anciens de forage du sol à molettes coniques roulantes comportaient des dents formées d'une seule pièce avec les organes de coupe. Ces trépans, communément appelés trépans à "dents d'acier" ou à "dents-fraises" trépans dits "mill-tooth", sont encore communément utilisés pour pénétrer dans des formations relativement tendres. La solidité et la ténacité à la rupture des dents d'acier permet des dents relativement longues avec de longues crêtes, qui produisent l'action agressive de creusement et de raclage qui est avantageuse pour la pénétration rapide dans des for- mations relativement tendres. Cependant, il est rare qu'un intervalle dans une formation soit constitué entièrement de matériaux tendres à faible résistance à la compression. Souvent, on trouve des bandes de matériau dur ou abrasif qu'un trépan à dents d'acier doit pouvoir pénétrer de façon peu coûteuse et sans dommage pour le trépan. Bien que les dents d'acier possèdent une bonne solidité, leur résistance à l'abrasion n'est généralement pas appropriée pour permettre une pénétration rapide dans des bandes dures ou abrasives, sans dommages pour le trépan. Par conséquent, il est classique dans la technique de prévoir une couche de matière résistant à l'usure ou un revêtement dur sur au moins une partie des dents d'un trépan à dents d'acier. Ces matières résistant à l'usure ou revêtements durs sont classiques et sont constituées habituellement de particules de carbure de tungstène ou d'un autre métal dur dispersées dans une matrice servant de liant en acier, nickel ou cobalt. De telles matières de revêtement dur sont appli- quées par fusion du liant de la matière de revêtement dur et application de la matière sur les surfaces des dents. L'application appropriée de la matière de revêtement dur sur des trépans à dents d'acier exige une habileté considérable de la part du soudeur. La pratique des dents d'acier à revêtement dur a commencé aux environs de 1929. Avec l'introduction du trépan à inserts en carbure de tungstène (TCI) par la firme Hughes Tool Company dans les années 1950 (voir le brevet des E.U.A. N 2 687 875, 31 août 1954, de Morlan, et al.), la recherche dans l'industrie du forage s'est focalisée sur l'utilisation des trépans TCI. Plus récemment, l'attention s'est de nouveau focalisée sur le perfectionnement et le développement de trépans du forage du sol du type à dents-fraises ou dents d'acier du fait des progrès de la technologie des matières et de l'application des revêtements durs. Il est difficile d'appliquer une couche relative- ment épaisse de matière de revêtement dur sur la crête ou des extrémités des dents en respectant des tolérances. Une dent ayant une crête à revêtement dur d'une épaisseur dépassant la tolérance peut entrer en contact avec un cône opposé ou le "heurter". Cette condition exige un meulage côûteux et long de l'arête à revêtement dur pour réduire l'épaisseur et éliminer l'obstruction. Dès au moins 1989, un angle des dents d'acier d'une rangée était biseauté pour permettre l'applica- tion d'un revêtement dur sans provoquer l'obstruction mentionnée ci-dessus entre les dents. Le brevet des E.U.A. N 5 152 194, 6 octobre 1992, de Keshavan et al., décrit un procédé d'application d'un revêtement dur sur un trépan de forage du sol à dents d'acier, dans lequel une épaisseur sensiblement uniforme de revêtement dur est appliquée sur la dent. Chaque angle de chaque dent est arrondi pour que l'on obtienne un revêtement dur d'épaisseur uniforme. Ce mémoire n'aborde pas la dif- ficulté d'application d'une couche épaisse de matière de revêtement dur sur une dent d'un trépan de forage du sol à dents d'acier sans occasionner le problème du choc entre les dents, qui exige des opérations longues et coûteuses de meulage pour amener la dent à revêtement dur dans les jeux et tolérances nécessaires pour éviter les heurts. Le brevet des E.U.A. N 2 660 405, 24 novembre 1953, de Scott, et al., communément détenu avec la présente demande, décrit un trépan de forage du sol à dents d'acier dans lequel un flanc d'une dent est "entaillé", ou pourvu d'un creux, lequel est rempli d'une matière de revêtement dur pour former une structure de dents auto-affûtante. Les entailles s'étendent d'une extrémité à l'autre de la dent, ce qui réduit le module d'inertie de la dent, affaiblissant ainsi la dent d'acier et augmentant son risque de rupture sous l'effet des efforts de friction et de compression appliqués à la crête et aux flancs de la dent au cours des opérations de fcorage. Le brevet des E.U.A. N 2 058 753, 27 octobre 1936, de Zublin, décrit la formation, sur une dent d'un trépan de forage du sol à dents d'acier, d'une série de gorges profondes formant le flancs de la dent de manière à ne pas s'étendre à travers la crête de la dent. On fait fondre le métal dans les gorges et celles-ci sont remplies de particules de carbure de tungstène qui sont retenues sur le flanc de la dent lorsque le métal fondu dans les gorges refroidit. Ces gorges entraînent une diminution moins notable de la solidité de la dent que celle provoquée par les entailles proposées dans le brevet N 2 660 405 précité, mais elles n'ont pas trait à l'augmentation de la résistance à l'usure de l'arête de la dent. De plus, la dent résultant du procédé décrit dans le brevet N 2 058 753 précité comporte des particules de carbure de tungstène dispersées uniquement dans une partie du flanc de la dent, c'est-à-dire o les gorges ont été initialement formées. Il est apparu qu'il existe une zone de forte usure aux intersections des diverses surfaces des dents fraisées ou en acier. Une zone qui subit une usure par- ticulièrement importante se trouve aux intersections des flancs d'attaque et des extrémités extérieures des dents, en particulier sur des dents extérieures ou de talon. On a donc besoin d'un outil ou trépan de forage du sol ayant une structure dentée en acier à revêtement dur qui présente une résistance à l'usure améliorée à la crête, aux flancs et aux extrémités de la dent, tout en conservant l'intégrité structurelle de la dent d'acier sous- jacente, ainsi que la géométrie d'origine de la dent à revêtement dur pendant que la dent s'use. SOMMAIRE DE L'INVENTION L'invention a pour objet général de procurer un outil ou trépan de forage du sol perfectionné ayant une structure dentée perfectionnée à revêtement dur. Cet objet et d'autres objets de l'invention sont réalisés par un trépan de forage du sol ayant un corps d'outil et au moins un organe de coupe monté de façon à pouvoir tourner sur le corps d'outil. L'organe de coupe est réalisé d'une seule pièce avec plusieurs dents qui sont disposées en rangées circonférentielles. Chaque dent présente des extrémités intérieure et extérieure, des flancs d'attaque et arrière, et une crête reliant transversalement les extrémités et les flancs. Une épaisseur de matière résistant à l'usure est appliquée sur la crête et au moins sur une partie des extrémités des flancs de la dent. Une couche d'extension de matière résistant à l'usure est appliquée au moins à l'intersection du flanc d'attaque et de l'extrémité extérieure pour doubler approximativement l'épaisseur du revêtement dur et augmenter la résistance à l'usure dans cette zone de la dent qui est soumise à la forte usure. Selon une forme avantageuse de réalisation de l'invention, la couche d'extension de matière résistant à l'usure est appliquée avant que la matière résistant à l'usure appliquée par ailleurs sur la dent soit refroidie jusqu'à la température ambiante. Selon une forme avantageuse de réalisation de l'invention, la dent pourvue de la matière résistant à l'usure présente un creux formé à l'intersection du flanc d'attaque et de l'extrémité extérieure avant l'application de la matière résistant à l'usure. Selon une forme avantageuse de réalisation de l'invention, le creux s'étend à travers le flanc d'attaque de la dent pour définir une nervure sur le flanc d'attaque. Cette nervure est plus épaisse à proximité de la base de la dent qu'à proximité de la crête. D'autres objets, particularités et avantages de la présente invention ressortiront aux spécialistes de la technique en référence aux dessins et à la description détaillée qui suivent. DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue en perspective d'un trépan de forage du sol du type envisagé par la présente invention. La figure 2 est une vue partielle en perspective d'une dent d'acier d'un trépan de forage du sol selon la présente invention. La figure 3 est une vue en perspective partielle d'une dent d'acier d'un trépan de forage du sol selon la présente invention. La figure 4 est une vue en perspective partielle d'une dent d'acier d'un trépan de forage du sol selon la présente invention. DESCRIPTION DE LA FORME PREFEREE DE REALISATION En référence à présent à la figure 1, un trépan 11 de forage du sol selon la présente invention est représen- té. Le trépan 11 de forage du sol comprend un corps 13 d'outil ayant des filets 15 à son étendue supérieure pour raccorder le trépan 11 dans un train de tiges (non représen- té). Chaque branche du trépan 11 est pourvue d'un compen- sateur 17 de lubrifiant, dont une forme avantageuse de réalisation est décrite dans le brevet des E.U.A. NO 4 276 946, 7 juillet 1981, de Millsapps. Au moins une buse 19 est prévue dans le corps d'outil 13 pour pulvériser un fluide de forage, de lubrification et de refroidissement depuis l'intérieur du train de tige vers le fond du sondage. Au moins un organe de coupe, dans ce cas trois (dont un est masqué de la vue sur la perspective de la figure 1), 21, 23, est monté de façon à pouvoir tourner sur chaque branche du corps 13 d'outil. Plusieurs dents 25 sont dispo- sées en rangées globalement circonférentielles sur les organes de coupe 21, 23. Les dents 25 sont formées d'une seule pièce dans la matière des organes de coupe 21, 23, qui est habituellement de l'acier. La figure 2 est une vue en perspective d'une dent formée conformément à la présente invention. Un flanc d'attaque 27 et un flanc arrière 29 convergent pour définir une crête 31. Le flanc d'attaque 27 est appelé "flanc d'attaque" car il s'agit du flanc de la dent 25 qui rencontre en premier le matériau de la formation pendant que les organes de coupe 21, 23 roulent et glissent sur le fond du sondage. Similairement, étant donné que le flanc arrière 29 suit en arrière du flanc d'attaque 27, il est appelé "flanc arrière". La dent 25 comprend aussi une extrémité intérieure 33 et une extrémité extérieure 35. L'extrémité intérieure 33 est ainsi appelée car elle fait face au centre ou à l'axe central du trépan 11. L'extrémité extérieure 35 est ainsi appelée car elle fait face au diamètre extérieur du trépan 11. Une matière résistant à l'usure ou un revêtement dur 33 est appliquée à une certaine épaisseur sur au moins la crête 31, les flancs, 27, 29 et les extrémités 33, 35 de la dent 25 pour augmenter sa résistance à l'usure. La matière 33 de revêtement dur est avantageusement un mélange de sphères de carbure de tungstène sémenté, passant dans des mailles 16- 30, et de particules de carbure de tunsgtène sémenté et broyé passant dans des mailles de 20-30 et de carbure de tunsgtène moulé et broyé passant dans des mailles de 60-80. Le pour- centage en poids des trois particules de carbure de tunsgtène ci-dessus, dans la composition, est respectivement de 66 %, 15 % et 15 %. Les particules ci-dessus sont contenues dans un tube ou une tige de soudage en acier doux, avec environ 4 % en poids de silicomanganèse et moins de 1 % en poids de niobium. L'épaisseur initiale de la couche 33 de revêtement dur est avantageusement comprise entre environ 1,524 et 3,175 mm. A l'intersection du flanc d'attaque 27 et de l'extrémité extérieure 35, une couche d'extension 37 en matière de revêtement dur de la même composition est appli- quée. La couche d'extension 37 s'étend avantageusement depuis la crête jusqu'à la base de la dent 25. Pour des dents plus petites de la rangée intérieure, la couche d'extension présente avantageusement une largeur d'environ 6,35 mm. Pour des dents plus grandes de la rangée extérieure, la couche d'extension 37 présente avantageusement une largeur d'environ 9,525 mm. Le résultat de la couche d'extension 37 est qu'un revêtement dur de double épaisseur est formé à l'angle d'attaque extérieur. Selon la forme préférée de réalisation de la présente invention, la couche d'extension 37 est appliquée sous la forme d'un cordon continu commençant à la crête 31 et s'étendant globalement jusqu'à la base de la dent 25. La couche d'extension 37 est soudée au moyen d'un chalumeau oxyacétylénique 37 et de baguette 39 pour revêtement dur. Le cordon est appliqué dans le sens vers l'avant, s'étendant vers le bas depuis la crête 31 vers la base de la dent 25. Il est apparu que la couche d'extension 37 devait être appliquée aussi rapidement que possible après la couche initiale 33 de revêtement dur pour éviter un réchauffage et une dissolution des particules de carbure dans la couche initiale 33, ce qui aboutit à une matrice cassante de la couche d'extension 37. Bien que les plages précises de température pour souder avec succès une couche d'extension 37 ne soient pas actuellement connues, elles devrait être appliquées bien avant que la couche initiale 33 refroidisse jusqu'à la température environnante ou ambiante. La figure 3 est une vue en perspective d'une géométrie de dents sousjacentes 125 avant l'application du revêtement dur, selon une forme avantageuse de réalisation de la présente invention. Un creux 137 sous la forme d'un rayon concave de 3,175 mm est défini à l'intersection du flanc d'attaque 127 et de l'extrémité extérieure 135. De plus, un creux sous la forme d'un rayon concave 139 de 3,175 mm est prévu à chaque intersection des flancs 127, 129 avec la crête 135. Les creux 137, 139 permettent la présence de couches plus épaisses de matière de matière de revêtement dur au- dessus des creux qu'ailleurs sur la dent 25. La dent d'acier sous-jacente de la figure 3 peut être pourvue de couches de revêtement dur, à la fois initiale et d'extension, comme décrit en référence à la figure 2 pour présenter un revête- ment dur d'épaisseur essentiellement triple. En variante, la géométrie de dent 125 peut être pourvue uniquement d'une couche initiale de revêtement dur, les épaisseurs accrues du revêtement dur au-dessus des creux 137, 139 procurant de façon générale le même revêtement dur, d'épaisseur double ou triple, que les couches de revêtement dur initiale et d'extension décrites en regard de la figure 2. La figure 4 est une vue en perspective d'une géométrie de dents d'acier sous-jacentes 225 selon une autre forme avantageuse de réalisation de la présente invention. Similairement, la forme de réalisation de la figure 3, la dent 225 est pourvue d'un creux 237 à l'intersection d'un flanc d'attaque 227 et d'une extrémité extérieure 235. Dans cette forme de réalisation, le creux 237 s'étend à travers le flanc d'attaque 227 pour définir une nervure 241. La con- figuration incurvée du creux 237 rend la nervure 241 plus large à proximité de la base et plus étroite à proximité de la crête 235 de la dent 225. Cette configuration procure une épaisseur accrue de matière de revêtement dur à l'intersec- tion du flanc d'attaque 227 et de l'extrémité extérieure 235, tout en procurant une dent ayant un module de flexion et une résistance à la rupture satisfaisants. Similairement à la forme de réalisation de la figure 3, la géométrie de dents sous-jacente de la figure 4 peut être pourvue des deux couches de revêtement dur initiale et d'extension pour présenter un revêtement dur d'épaisseur triple. En variante, une seule couche de revêtement dur, avec une épaisseur accrue résultant du creux 237, confère des propriétés satisfaisan- tes. Les dents perfectionnées 25 restent affûtées en raison de leur grande résistance à l'usure, qui résulte de l'épaisseur accrue de la matière résistant à l'usure sur des parties choisies de la dent 25. Un avantage principal de la présente invention est qu'elle procure un trépan de forage du sol ayant une résistance à l'usure améliorée sans sacrifier la géométrie effilée et efficace de la dent ni la vitesse résultante de pénétration du trépan. En plus d'une résistance à l'usure améliorée, la dent du trépan du forage du sol conforme à la présente invention possède une solidité équivalente à celle de dents classiques car une géométrie avec une bonne résis- tance à la flexion est préservée dans la dent d'acier sous- jacente. Bien que l'invention ait été représentée sous une seule de ses formes préférées de réalisation, elle n'est pas limitée à celles-ci. Des spécialistes de la technique reconnaîtront que la présente invention peut faire l'objet de variations et de modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Trépan perfectionné de forage du sol compor- tant: un corps d'outil; au moins un organe de coupe monté de façon à pouvoir tourner sur le corps d'outil, l'organe de coupe comprenant plusieurs dents formées d'une seule pièce avec l'organe de coupe et disposées en rangées circonférentielles sur l'organe de coupe, chaque dent ayant des extrémités intérieure et extérieure, et des flancs d'attaque et arrière convergeant pour définir une crête; une épaisseur de matière résistant à l'usure appliquée sur la crête et au moins sur une partie des extrémités et des flancs d'au moins l'une des dents; et une couche d'extension en matière résistant à l'usure appliquée sur au moins l'intersection du flanc d'attaque et de l'extrémité extérieure d'au moins l'une des dents. 2. Outil de forage du sol perfectionné selon la revendication 1, dans lequel la couche d'extension en matière résistant à l'usure est appliquée avant que la matière résistant à l'usure se trouvant ailleurs sur la dent soit refroidie jusqu'à la température ambiante. 3. Trépan de forage du sol perfectionné selon la revendication 1, dans lequel la dent portant la matière résistant à l'usure présente un creux défini à l'intersection du flanc d'attaque et d'une extrémité extérieure avant l'application de la matière résistant à l'usure. 4.Trépan de forage du sol perfectionné selon la revendication 1, dans lequel l'épaisseur de la matière résistant à l'usure sur le creux et remplissant le creux est double de l'épaisseur de la matière se trouvant ailleurs sur la dent. 5. Trépan perfectionné de forage du sol selon la revendication 1, dans lequel chacune des dents se trouvant dans une rangée circonférentielle de dents est pourvue de l'épaisseur de la matière résistant à l'usure et de la couche d'extension de la matière résistant à l'usure. 6. Trépan perfectionné de forage du sol compor- tant un corps d'outil; au moins un organe de coupe monté de façon à pouvoir tourner sur le corps d'outil, l'organe de coupe comprenant plusieurs dents formées d'une seule pièce avec l'organe de coupe et disposées en rangées circonférentielles sur l'organe de coupe, chaque dent ayant des extrémités intérieure et extérieure, des flancs d'attaque et arrière convergeant pour définir une crête, et une base; un creux formé d'au moins une dent à l'inter- section de l'extrémité extérieure et du flanc d'attaque et s'étendant depuis un point situé le long du flanc jusqu'à proximité de la base de la dent en passant par la crête de la dent; et une épaisseur de matière résistant à l'usure remplissant le creux et appliquée sur au moins la crête et une partie des extrémités des flancs de la dent, l'épaisseur de la matière résistant à l'usure sur le creux étant plus grande qu'ailleurs sur la dent pour donner une dent plus résistante à l'usure. 7. Trépan perfectionné de forage du sol selon la revendication 6, dans lequel l'épaisseur de la matière résistant à l'usure sur le creux est double de l'épaisseur présente ailleurs sur la dent. 8. Trépan perfectionné de forage du sol selon la revendication 6, dans lequel le creux s'étend à travers le flanc d'attaque de la dent pour définir une nervure sur le flanc d'attaque. 9. Trépan de forage du sol selon la revendication 8, dans lequel la nervure est plus large à proximité de la base de la dent qu'à proximité de la crête de la dent. 10. Trépan perfectionné de forage du sol selon la revendication 6, dans lequel au moins l'une des dents d'une rangée circonférentielle de dents est pourvue de l'épaisseur de la matière résistant à l'usure et d'une couche d'extension résistant à l'usure pour présenter une épaisseur triple de revêtement dur à l'intersection de l'extrémité extérieure et du flanc d'attaque. 11. Trépan perfectionné de forage du sol compor- tant: un corps d'outil; au moins un organe de coupe monté de façon à pouvoir tourner sur le corps d'outil, l'organe de coupe comprenant plusieurs dents formées d'une seule pièce avec l'organe de coupe et disposées en rangées circonférentielles sur l'organe de coupe, chaque dent ayant des extrémités intérieure et extérieure, des flancs d'attaque et arrière convergeant pour définir une crête; une nervure formée dans le flanc d'attaque d'au moins l'une des dents se trouvant dans une rangée circon- férentielle, la nervure adjacente à l'extrémité intérieure de la dent et s'étendant depuis la base de la dent jusqu'à la crête, la nervure étant plus épaisse à proximité de la base qu'à proximité de la crête, une partie du flanc d'attaque adjacente à la nervure définissant un creux; et une épaisseur de matière résistant à l'usure remplissant le creux et appliquée sur au moins la crête et une partie des extrémités et des flancs de la dent, l'épais- seur de la matière résistant à l'usure sur le creux étant supérieure à celle présente ailleurs sur la dent. 12. Trépan perfectionné de forage du sol selon la revendication 11, dans lequel l'épaisseur de la matière résistant à l'usure sur le creux est double de l'épaisseur présente ailleurs sur la dent.