Brevet FR2752263A1 — publié le 19980213

L'invention concerne des trépans de forage du sol du type à organes de coupe roulants. L'invention concerne en particulier la structure coupante de trépans du type à organes de coupe roulants. 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 molettes 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 à molettes coniques roulantes, inventé par Howard R. Hughes, brevet des Etats-Unis d'Amérique 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, datant 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 molettes. Les trépans de forage à molettes coniques roulantes utilisent généralement des éléments coupants sur les organes de coupe pour engendrer des efforts de contact élevés dans la formation soumise au forage pendant que les organes de coupe roulent sur le fond du sondage au cours de l'opération de forage. Ces efforts font céder la roche, entraînant une désintégration par pénétration quasiment verticale du matériau de formation en cours de forage. Lorsque les organes de coupe sont décalés, leurs axes ne coïncident pas avec l'axe géométrique ou de rotation de l'outil et une petite composante de mouvement horizontal ou de glissement est appliquée aux organes de coupe tandis qu'ils roulent sur le fond du sondage. Alors que ce mode de forage est prépondérant sur le fond du sondage, il est totalement différent dans l'angle et sur la paroi latérale. L'angle est généré par une action combinée d'écrasement et de raclage, tandis que la paroi du sondage est produite dans un mode pur de glissement et de raclage. Les éléments coupants doivent réaliser la plus grande partie du travail dans l'angle et sur la paroi latérale de sondage et sont soumis à des efforts extrêmes qui tendent à les briser prématurément et/ou les user rapidement. Par le passé, des éléments coupants conçus principalement pour l'écrasement présentaient des inter- sections arrondies entre les surfaces des éléments, afin de minimiser la concentration des contraintes dans l'élément, lesquelles concentrations pouvaient aboutir à une rupture de l'élément. On trouve des exemples de tels éléments coupants dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 442 342, N 4 058 177 et N 5 201 376. La coupe par cisaillement est un mode de désin- tégration dont on ne tire pas un avantage maximal dans le domaine des trépans de forage à organes de coupe roulants, comme c'est le cas dans le domaine des trépans à organes de coupe fixes *ou à lame. Le cisaillement du matériau de la formation est le mode dominant de désintégration dans les trépans à organes de coupe fixes ou à lame, qui utilisent habituellement des éléments coupants de très haute dureté, à grande résistance à l'usure, pour cisailler le matériau de la formation au fond et à la paroi latérale du sondage. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 5 287 936 décrit une structure coupante de calibrage travaillant par cisaillement pour des trépans du type à organes de coupe roulants. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 5 282 512 décrit des éléments coupants pour un trépan à organes de coupe roulants pourvu d'éléments chargés de diamant sur les zones avant et centrale des éléments coupants afin de renforcer le mode de cisaillement ou de raclage pour la désintégration de la formation. Comme montré par le brevet N 287 936 précité, le mode de désintégration par cisaillement est utilisé de façon particulièrement avantageuse dans l'angle et à la paroi latérale du sondage, o le calibre ou diamètre du sondage est défini. Le maintien d'un sondage au calibre ou diamètre nominal est important pour éviter le coincement de l'outil ou d'autres constituants des ensembles de fond de trou et pour éviter d'avoir à effectuer des opérations d'alésage pour ramener le sondage au calibre ou diamètre nominal. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 5 351 768 décrit un racleur rapporté pour une coupe par cisaillement plus efficace de la paroi latérale. Néanmoins, la géométrie de sa crête ou de son extrémité n'est pas suffisamment affinée pour un rendement et une durabilité optimaux du forage dans des roches plus dures et plus abrasives. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 5 323 865 décrit un élément extérieur ou talon rapporté en forme de ciseau pour désintégrer plus efficacement l'angle du sondage en renforçant la composante de coupe par cisaillement. L'arête arrondie manque comme précédemment de finesse pour être un outil de coupe par cisaillement efficace dans des roches plus dures et plus abrasives. Il existe donc un besoin portant sur des trépans de forage du sol du type à organes de coupe roulants ayant des éléments coupants de talon et de calibrage qui utilisent avantageusement le mode de désintégration de la formation par cisaillement et qui présentent des géométries de tranchants perfectionnées pour combiner l'efficacité et la durabilité du forage. L'invention a pour objet général de procurer un trépan de forage du sol ayant des éléments coupants conçus pour engager par cisaillement la paroi latérale et l'angle du sondage dans des formations plus dures et plus abrasives, et ayant une géométrie de tranchant améliorée. Ces objets et autres de l'invention sont réalisés au moyen d'un trépan de forage du sol ayant un corps de trépan. Au moins un tourillon fait saillie en porte à faux vers l'intérieur et vers le bas du corps de l'outil et un organe de coupe est monté de façon à pouvoir tourner sur le tourillon. L'organe de coupe comprend plusieurs éléments coupants dont au moins un comporte un corps d'élément globalement cylindrique en métal dur. Deux flancs s'étendent depuis le corps et convergent pour générer une crête. La crête est la face d'attaque ou de coupe de l'élément coupant et définit au moins un tranchant effilé à son intersection avec au moins l'un des flancs. Conformément à une forme avantageuse de réalisa- tion de l'invention, le tranchant, la crête et le flanc de l'élément coupant sont formés d'une matière extrêmement dure. Selon une forme avantageuse de réalisation de l'invention, le métal dur est du carbure de tungstène cémenté, et la matière extrêmement dure est du diamant polycristallin. Selon une forme avantageuse de réalisation de l'invention, un tranchant effilé est défini à chaque inter- section de la crête, des flancs et des extrémités de l'élé- ment coupant. Selon une forme avantageuse de réalisation de l'invention, l'intersection entre la crête et les flancs présente un petit chanfrein. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un trépan de forage du sol selon l'invention; les figures 2A à 2C sont des vues en élévation, en plan et en coupe longitudinale partielle, respectivement, d'un élément coupant en forme de ciseau de l'art antérieur; les figures 3A à 3D sont des vues de face, en élévation, en plan et en coupe longitudinale partielle, respectivement, d'un élément coupant selon l'invention; et la figure 4 est une vue en coupe partielle à échelle agrandie, similaire aux figures 2C et 3D, de la crête de l'élément coupant selon l'invention. En référence à présent aux figures, et en particulier à la figure 1, un trépan 11 de forage du sol selon l'invention est illustré. Le trépan 11 comprend un corps d'outil 13 qui est fileté à sa partie supérieure 15 pour être raccordé à une garniture de forage. Chaque branche ou section du trépan 11 est pourvue d'un compensateur de lubrifiant 17. Au moins une buse 19 est prévue dans le corps 13 de l'outil pour pulvériser un fluide de forage depuis l'intérieur de la garniture de forage afin de refroidir et lubrifier le trépan 11 pendant l'opération de forage. Trois organes de coupe 21, 23 et 25 sont montés de façon à pouvoir tourner chacun sur un tourillon associé à chaque branche du corps 13 de l'outil. Chaque organe de coupe 21, 23, 25 présente une surface d'enveloppe d'organe de coupe comprenant une surface de calibrage 31 et une surface de talon 41. Plusieurs éléments coupants, sous la forme de pièces rapportées en métal dur, sont agencés en rangées globalement circonférentielles de chaque organe de coupe. Chaque organe de coupe 21, 23, 25 présente une surface de calibrage 31 portant une rangée d'éléments de calibrage 33. Une surface de talon 41 intersecte chaque surface de cali- brage 31 et porte au moins une rangée de pièces rapportées extérieures ou de talon 43. Au moins un élément racleur 51 est fixé à la surface de l'enveloppe de l'organe de coupe, généralement à l'intersection des surfaces de calibrage et extérieure 31, 41 et en général entre deux pièces rapportées de talon 43. La structure coupante externe, comprenant les éléments coupants de talon 43, les éléments coupants de calibrage 33, et une structure coupante secondaire sous la forme d'éléments ébavureurs ou racleurs 51 en forme de ciseau, se combinent et coopèrent pour écraser et racler le matériau de la formation dans l'angle et à la paroi latérale du sondage pendant que les organes de coupe 21, 23, 25 roulent et glissent sur le matériau de la formation au cours de l'opération de forage. Les figures 2A-2C sont des vues en élévation, en plan et en coupe longitudinale partielle, respectivement, d'un élément coupant 61 en carbure de tungstène cémenté, en forme de ciseau, de l'art antérieur. L'élément 61 comporte un corps cylindrique 63 qui est fixé par ajustement serré dans des ouvertures situées dans des organes de coupe 21, 23, 25 d'un trépan 11. Deux flancs 65 s'étendent au-delà du corps 63 et convergent pour définir une crête 67. Deux extrémités 69 relient les flancs 65 et la crête 67 au corps cylindrique 63. Pour éviter une rupture et un écaillage du métal dur dont est constitué l'élément 61, les intersections de la crête 67 avec les flancs 65 et les extrémités 69, et la crête 67 elle-même, sont arrondies ou rayonnées pour éviter une concentration de contraintes aboutissant à des efforts de contact ou ponctuels élevés et à une détérioration de l'élément coupant. Les figures 3A à 3D sont une vue de face, une vue en élévation, une vue en plan et une vue en coupe lon- gitudinale partielle, respectivement, d'un élément coupant selon la présente invention. L'élément coupant 71 est particulièrement conçu pour être utilisé en tant qu'élément racleur ou ébavureur (51 sur la figure 1) ou en tant qu'élé- ment coupant de talon (43 sur la figure 1). L'élément coupant 71 comporte un corps cylindrique 73 formé d'un métal dur, avantageusement du carbure de tungstène cémenté. Deux flancs s'étendent depuis le corps cylindrique 73 et convergent sous environ 45 pour définir une crête 77. La crête 77 et les flancs 75 sont reliés au corps cylindrique 73 par deux extrémités 79. Comme on le voit le mieux sur les figures 3A, 3B et 3D, les intersections de la crête 77 avec les flancs 75 et les extrémités 79 définissent quatre tranchants effilés 81. Selon la forme avantageuse de réalisation de l'invention, un angle d'environ 135 est inclus aux intersections entre la crête 77 et les flancs 75. Les tranchants effilés 81 sont formés par meulage ou autre aplatissement de la crête 77. Si la crête est formée d'une matière extrêmement dure, des opérations d'usinage par étincelage peuvent être avantageuses pour réaliser les tranchants effilés 81. Autrement, un meulage classique est avantageux pour du carbure de tungstène cémenté et des métaux durs similaires. Ceci est différent de la pratique antérieure d'arrondissement de ces intersections pour éviter les concentrations de contraintes. Selon une forme avantageuse de réalisation de l'invention, au moins la crête 77 et les flancs 75 des éléments 71 sont formés d'une matière extrêmement dure, avantageusement du diamant polycristallin. Des matières extrêmement dures approchent ou égalent la dureté du diamant et comprennent du diamant naturel, du diamant polycristallin, du diamant polycristallin thermiquement stable, du diamant en couche mince, du carbone analogue à du diamant en couche mince, du nitrure de bore cubique et d'autres matières dont la dureté, mesurée sur l'échelle Knoop, dépasse généralement 3500 à 5000. Des matières extrêmement dures peuvent être formées sur des substrats en métal dur au moyen de processus à haute température et haute pression tels que ceux décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 913 280 et N 3 745 623. La figure 4 est une vue en coupe longitudinale, similaire aux figures 2C et 3D, montrant une autre forme de réalisation de l'invention dans laquelle l'intersection de la crête 77' avec les flancs 75' forme un petit chanfrein à 45 de 254 gm de largeur et 177,87 pm de profondeur. Le chanfrein élimine les imperfections de surface au tranchant effilé et unique et rend ainsi les deux tranchants 81' moins sujets à une détérioration prématurée que les intersections quasi- orthogonales des formes de réalisation des figures 3A à 3D. De plus, les deux tranchants 81' sont soutenus par une plus grande quantité de matière que le tranchant unique 81 du fait de l'angle interne plus grand aux intersections du chanfrein avec la crête et le flanc. Il est apparu que le ou les tranchants effilés 81, 81' produits par meulage de la crête 77 donnent un élément coupant plus durable et plus efficace pour les régions de talon et externe des outils de coupe (21, 23, 25 sur la figure 1) que la crête arrondie classique 67. En général, des éléments coupants situés sur les rangées intérieures d'organes de coupe (vers le sommet du cône) tendent à travailler principalement dans le mode en écrase- ment. Les éléments coupants situés sur les rangées externes, par exemple les rangées de talon et de calibrage (41 et 51 sur la figure 1), tendent à travailler principalement dans le mode en glissement et en raclage, dans lequel des tranchants effilés tranchent efficacement la formation en désintégration en induisant des contraintes de cisaillement, similairement à des outils classiques de coupe du métal. Le trépan de forage du sol selon l'invention possède un certain nombre d'avantages. Un avantage principal est que ce trépan est pourvu d'éléments coupants plus efficaces et plus durables. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au trépan décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Trépan de forage du sol, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (13) de trépan; au moins un touril- ion faisant saillie en porte à faux vers l'intérieur et vers le bas du corps du trépan; un organe de coupe (21, 23, 25) monté de façon à pouvoir tourner sur le tourillon et compre- nant plusieurs éléments coupants (71); au moins l'un des éléments coupants ayant un corps d'élément globalement cylindrique (73) en métal dur, deux flancs (75) s'étendant depuis le corps et convergeant de façon à définir une crête (77), laquelle crête définit au moins un tranchant effilé (81) à une intersection avec l'un des flancs. 2. Trépan selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tranchant, la crête et les flancs sont formés d'une matière extrêmement dure. 3. Trépan selon la revendication 2, caractérisé en ce que le métal dur est du carbure de tungstène cémenté et la matière extrêmement dure est du diamant polycristallin. 4. Trépan selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un tranchant effilé est défini à chaque intersection de la crête et des flancs. 5. Trépan selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un chanfrein est formé à l'intersection de la crête avec les flancs, le chanfrein définissant deux tranchants effilés (81'). 6. Trépan de forage de sol, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (13) de trépan; au moins un touril- lon faisant saillie en porte à faux vers l'intérieur et vers le bas du corps du trépan; un organe de coupe (21, 23, 25) monté de façon à pouvoir tourner sur le tourillon et compre- nant plusieurs éléments coupants (71); au moins l'un des éléments coupants ayant un corps d'élément globalement cylindrique (73) en métal dur, deux flancs (75) s'étendant depuis le corps et convergeant de façon à définir une crête (77), laquelle crête est formée de manière à définir des tranchants effilés (81) à chaque intersection de la crête et des flancs. 7. Trépan selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tranchant, la crête et les flancs sont formés d'une matière extrêmement dure. 8. Trépan selon la revendication 6, caractérisé en ce que le métal dur est du carbure de tungstène cémenté, et la matière extrêmement dure est du diamant polycristallin. 9. Trépan selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre deux extrémités (79) reliant les flancs et la crête, les tranchants effilés étant définis à chaque intersection de la crête, des flancs et des extrémi- tés. 10. Trépan selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un chanfrein est formé aux intersections de la crête avec les flancs, le chanfrein définissant deux tranchants effilés (81'). 11. Trépan de forage du sol, caractérisé en ce qu'il comporte un corps de trépan (13); au moins un touril- lon faisant saillie en porte à faux vers l'intérieur et vers le bas du corps du trépan; un organe de coupe (21, 23, 25) monté de façon à tourner sur le tourillon et comprenant plusieurs éléments coupants (71), au moins l'un des éléments coupants ayant un corps d'élément globalement cylindrique (73) en métal dur, deux flancs (75) s'étendant depuis le corps et convergeant de façon à définir une crête (77), et deux extrémités (79) reliant les flancs, la crête définissant quatre tranchants effilés (81) aux intersections avec les flancs et les extrémités. 12. Trépan selon la revendication 11, caractérisé en ce que le tranchant, la crête et les flancs sont formés d'une matière extrêmement dure. 13. Trépan selon la revendication 11, caractérisé en ce que le métal dur est du carbure de tungstène cémenté, et la matière extrêmement dure est du diamant polycristallin. 14. Trépan selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'un chanfrein est formé aux intersections de la crête avec les flancs, le chanfrein définissant deux tranchants effilés (81').