Brevet FR2757562A1 — publié le 19980626

Outil de forage avec amortisseurs de chocs. Les outils de forage, aussi bien monoblocs que tricônes, sont sujets en fonctionnement à des trépidations plus ou moins importantes qui peuvent parfois entraîner la destruction ou l'endommagement de certaines parties sensibles de l'outil, telles que la structure de coupe. Ces trépidations sont générées notamment lorsque l'outil rencontre des couches hétérogènes ou dures. La présente invention vise à remédier à cet inconvénient en munissant l'outil de moyens amortisseurs permettant de réduire l'effet néfaste des chocs. La présente invention concerne à cet effet un outil de forage, caractérisé en ce qu'il est muni sur sa surface extérieure d'une pluralité d'éléments amortisseurs dont une partie au moins est en matière élastomère. Le choix d'un élastomère pour amortir les vibrations de l'outil est tout à fait surprenant lorsqu'on sait que l'outil travaille dans des conditions de contraintes extrêmes, telles que forte abrasion, température élevée et forces de cisaillement importantes. C'est le mérite des Demanderesses d'avoir, pour la première fois, levé ce préjugé qui pesait sur les élastomères, en les utilisant comme amortisseurs de chocs sur un outil de forage. De façon surprenante, les élastomères se sont avérés avoir une bonne résistance vis-à-vis de l'érosion. Cette qualité, alliée à leur élasticité naturelle, leur permet de bien amortir les chocs sur un outil de forage. Selon l'invention, l'élément amortisseur est constitué par un plot ayant toute forme appropriée, par exemple cylindrique, hémisphérique, pyramidale, tronconique, parallélépipédique ou cubique, ledit plot comprenant une portion qui est insérée à l'intérieur d'un logement récepteur formé sur la surface de l'outil et une portion qui fait saillie à l'extérieur dudit logement. Le logement peut être constitué par un trou borgne formé sur la surface de l'outil. Le plot peut également être serti dans une gaine indépendante qui est ensuite fixée dans un logement formé sur l'outil, par exemple par vissage ou au moyen d'une bague élastique fendue. Avantageusement, la partie du plot qui fait saillie à l'extérieur du logement de fixation, est recouverte d'un revêtement protecteur antiabrasion, constitué par exemple d'une couche en carbure de tungstène ou formée d'une concrétion diamantée, d'une plaquette ou d'un dôme en PDC, ou encore d'une couche de diamant thermosable de granulométries et formes variées. De même, le plot peut être renforcé par inclusion dans la masse de l'élastomère d'une charge constituée de fines particules de diamant, ayant par exemple une granulométrie de 10 à 100 Rm. L'effet d'amortissement du plot peut être amélioré davantage en ménageant une chambre sous le plot, entre le fond de celui-ci et le fond du logement récepteur. Le plot peut être percé sur toute sa hauteur d'un canal reliant la chambre avec l'extérieur. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément amortisseur comprend d'une part un bloc d'élastomère reçu dans le fond du logement récepteur, dont il n'occupe qu'une partie de la hauteur et d'autre part une pièce en matière dure, comportant une portion interne qui occupe la partie restante du logement et une portion externe qui fait saillie à l'extérieur du logement, des éléments de retenue étant prévus pour empêcher ladite partie interne de sortir du logement. Ladite pièce peut être constituée par une bille, dont une portion de volume supérieur à une demi-sphère est reçue dans le logement et dont l'autre portion fait saillie hors du logement. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, l'élément amortisseur comprend un manchon en matière élastomère, étroitement ajusté dans le logement récepteur et une pièce cylindrique en matière dure, immobilisée sans frottement à l'intérieur du passage intérieur du manchon, ladite pièce cylindrique étant espacée du fond du logement afin de pouvoir se déplacer axialement dans le logement récepteur grâce à la déformation du manchon et comportant une portion qui fait saillie à l'extérieur du logement et qui n'est pas recouverte par le manchon. L'espace formé dans le fond du logement communique avec l'extérieur, soit à travers un passage percé dans l'axe de la pièce cylindrique, soit à travers un passage formé à l'intérieur de l'outil. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre faite en regard des dessins annexes dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un outil de forage monobloc muni d'éléments amortisseurs selon l'invention; la figure 2 est une vue en coupe agrandie selon la ligne II- II de la figure 1; la figure 3 est une vue en perspective d'un outil de forage tricône muni d'éléments amortisseurs selon l'invention; la figure 4 est une vue en coupe partielle à plus grande échelle d'un plot en élastomère serti dans l'outil, selon un premier mode de réalisation; la figure 5 est une vue en coupe d'un plot en élastomère pourvu d'un canal axial; la figure 6 montre un plot en élastomère renforcé par un ressort hélicoïdal; la figure 7 représente un plot en élastomère protégé par une couche anti-abrasive; la figure 8 représente un plot en élastomère muni d'une calotte anti- abrasive; la figure 9 montre un plot en élastomère pourvu en son fond d'une bride pour sa rétention dans un logement récepteur; la figure 10 représente un plot en élastomère fixé dans une gaine, elle- même retenue dans un logement récepteur au moyen d'une bague élastique fendue; la figure 11 montre un plot en élastomère fixé dans une gaine qui est vissée dans un logement récepteur; la figure 12 montre un élément amortisseur en deux pièces; la figure 13 montre une variante de réalisation de l'élément amortisseur de la figure 12; et la figure 14 représente un autre mode de réalisation d'un élément amortisseur en deux pièces. L'outil de forage monobloc 10 représenté sur la figure 1 est du type à lames, mais ce choix n'est pas limitatif car l'invention s'applique également à tous les types d'outils de forage monoblocs et à molettes coniques rotatives. De façon connue en soi, l'outil 10 de la figure 1 comprend une tête 12 munie d'un embout tubulaire 14, fileté extérieurement, qui sert à assembler l'outil à un train de tubes d'entraînement, non représenté. Autour de la tête sont formées une pluralité de nervures ou lames 16 séparées par des sillons 18. Sur la face extérieure 20 de chaque lame sont implantés une série de taillants 26, de tout type connu, constitués par exemple par des pastilles en diamant naturel, en diamant synthétique, en PDC ou en diamant thermostable. Les taillants sont soit sertis sur la lame, soit portés par des pédoncules en carbure de tungstène fixés sur l'outil. Selon l'invention, l'outil est muni d'une pluralité d'éléments amortisseurs 28 destinés à amortir les trépidations dont l'outil est le siège lors du forage. Les éléments amortisseurs 28 sont fixés sur une partie quelconque de l'outil, par exemple sur la face extérieure 20 des lames ou sur la garde de l'outil. Dans le cas du tricône de la figure 3, les éléments amortisseurs 28 sont fixés sur les molettes coniques 30, par exemple entre les taillants 26, entre les rangées de taillants, à la périphérie des molettes, ou encore sur les bras 32 qui portent les molettes. Dans le mode de réalisation illustré par les figures 1 et 2, chaque élément amortisseur 28 est constitué par un bloc d'élastomère ou plot, dont une partie est enchâssée à l'intérieur d'une gaine 34 en forme de cuvette à fond fermé, ladite gaine étant fixée dans un logement récepteur borgne 36 formé sur la surface de l'outil. La gaine peut être soit vissée, soit emmanchée à force, soit sertie dans le logement récepteur. La partie restante du plot fait saillie à l'extérieur de la gaine et forme une protubérance sur la surface de l'outil. Le sommet du plot 28 est représenté sur la figure 2 en retrait d'une distance A par rapport au sommet du taillant 26. Toutefois, le sommet du plot peut être également au même niveau que le sommet du taillant ou encore faire saillie par rapport à celui-ci. Les plots peuvent avoir des formes variées, par exemple cylindrique, parallélépipédique, cubique, pyramidale, tronconique ou sphérique. Comme le montre la figure 4, ils peuvent également être insérés directement à l'intérieur du Logement récepteur 36, sans utilisation de gaine. Les plots sont alors fixés dans le logement par collage ou par sertissage. D'autres moyens de retenir les plots dans le logement seront décrits par la suite. Dans le mode de réalisation de la figure 5, le plot 28 est séparé du fond du logement 36 par une chambre 38 destinée à améliorer les performances d'amortissement du plot. L'outil de forage étant destiné à fonctionner dans des boues sous forte pression hydrostatique, il est nécessaire que la chambre 38 communique avec le milieu extérieur afin de permettre un équilibrage des pressions et la libre déformation du plot élastique 28. Cette communication peut être réalisée soit par un canal axial 42 percé dans le plot 28, soit à travers un passage 44 percé dans l'outil, soit encore par les deux. La figure 6 montre un plot qui comporte un ressort hélicoïdal 46 noyé dans la masse de l'élastomère. La résistance de ce plot et ses performances d'élasticité et d'amortissement sont nettement meilleures que celles des plots précédents. Le plot de la figure 7 est recouvert sur la surface de sa partie saillante d'une couche anti-abrasion 48 relativement dure, constituée par exemple en carbure de tungstène ou par une concrétion diamantée. Ce plot a une plus longue durée de vie que les plots précédents. La couche 48 peut être fixée soit par collage, soit mécaniquement, par exemple au moyen d'une bride annulaire 49 qui s'encliquette dans une rainure annulaire formée à la partie supérieure du plot. Le mode de réalisation de la figure 8 montre un plot tronconique 28 dont la partie en saillie est protégée par un chapeau anti-abrasion 50, en carbure de tungstène. Le chapeau peut être recouvert lui-même d'une plaquette ou d'un dôme 51 en PDC. La partie inférieure du plot 28 est enchâssée à force à l'intérieur d'une gaine 34 également tronconique. Le plot représenté à la figure 9 comporte à sa base une bride périphérique saillante 52 qui vient s'insérer dans une rainure circulaire complémentaire formée dans la paroi latérale du logement 36 au niveau de fond. Le plot est ainsi retenu contre tout retrait accidentel. Dans la variante de réalisation de la figure 10, la gaine 34 est retenue dans le logement 36 par une bague fendue élastique 54 qui s'insère dans une rainure périphérique formée à l'entrée du logement. Un autre moyen de retenir le plot dans le logement est illustré par la figure 11. Le plot est muni à sa base d'une bride périphérique 52 et il est logé dans une bague 56 filetée extérieurement et pourvue d'un contrealésage prévu pour recevoir la bride. Le montage se fait en introduisant le plot dans la bague par l'extrémité inférieure de celle- ci, puis en vissant la bague dans le logement 36. Le plot ne peut alors plus sortir de son logement. Dans le mode de réalisation de la figure 12, l'élément d'amortissement est constitué de deux éléments: un bloc 28 en élastomère et un pion 58 en matière dure, par exemple en carbure de tungstène, qui prend appui sur le bloc. Le bloc d'élastomère 28 est cylindrique ou parallélépipédique et présente à mi-hauteur une gorge périphérique 60 qui lui confère une meilleure aptitude à être comprimé. Le bloc est reçu à l'intérieur d'un boîtier 62 en forme de cuvette cylindrique ou parallélépipédique, de hauteur légèrement supérieure à celle du bloc. Le pion 58 comporte une embase plate 66 de même surface que le bloc d'élastomère et qui est munie au centre de sa face supérieure d'un doigt 68 de plus faible section. Lors de l'assemblage, on pose le pion par son embase sur le bloc d'élastomère, puis on rabat par estampage les bords supérieurs 69 du boîtier sur l'embase. Celle-ci se trouve alors prise en sandwich entre ledit bord rabattu et le bloc d'élastomère. Le doigt 68 fait saillie hors du boîtier à travers un orifice 70 de section légèrement supérieure à celle du doigt. L'ensemble ainsi formé peut ensuite être fixé sur l'outil par sertissage ou par vissage du boîtier. Dans le mode de réalisation de la figure 13, le boîtier est réalisé en deux parties: une bague tubulaire 72 filetée extérieurement et un fond 74 qui est vissé à l'extrémité inférieure de la bague. Dans ce boîtier, sont logés un bloc d'élastomère 28 qui repose sur le fond 74 et, partiellement, une bille 78 en acier, en carbure de tungstène ou en matériau diamanté. Une portion de bille de volume inférieur à une demi-sphère fait saillie hors de la bague. Le bloc d'élastomère présente sur sa surface extérieure un siège hémisphérique sur lequel la bille repose. Celle-ci est retenue en place par un rebord 80 de la bague, incurvée vers l'intérieur. Dans les deux modes de réalisation précédents, aucune partie du bloc d'élastomère 28 n'est en contact avec la roche. Les vibrations de l'outil sont transmises par la pièce en carbure de tungstène au bloc qui les amortit. L'élément d'amortissement illustré par la figure 14 est composé de trois pièces. Il comprend une gaine tubulaire 82, fixée dans le logement 36,un manchon tubulaire en élastomère 84 qui revêt la paroi intérieure de la gaine et une pièce centrale 86 en acier ou en carbure de tungstène qui est immobilisée sans frottement à l'intérieur du manchon. Celui- ci s'étend sur toute la hauteur de la gaine et fait légèrement saillie au-dessus de l'extrémité supérieure de celle-ci. La pièce centrale 86 fait saillie à l'extérieur de la gaine et son extrémité inférieure est espacée du fond de la gaine. Comme dans le mode de réalisation de la figure 5, la chambre 38 qui est formée dans le fond du logement est reliée à l'extérieur, soit directement par un passage axial 42 percé dans la pièce centrale, soit à travers un passage 44 percé dans l'outil. A la différence des modes de réalisation précédents, l'axe général de l'élément amortisseur est incliné du côté du sens de déplacement f de l'outil. L'avantage de cette orientation est qu'elle permet de réduire le basculement de la pièce centrale 86, puisque la force de réaction F qui s'exerce sur celle-ci en sens inverse de la flèche f admet une composante F1 selon l'axe de la pièce 86 et qui n'exerce donc pas d'action de basculement sur la pièce. En fonctionnement, la pièce 86 a donc un mouvement alternatif essentiellement dirigé dans le sens de l'axe de logement 36. Le manchon 84, qui est serré entre une pièce fixe (la gaine 82) et une pièce mobile (la pièce centrale 86), est de ce fait soumise à des forces de cisaillement importantes qui amortissent l'amplitude des vibrations de l'outil. REVENDICATIONS 1. Outil de forage, caractérisé en ce qu'il est muni sur sa surface extérieure d'une pluralité d'éléments amortisseurs (28) dont une partie au moins est en matière élastomère. 2. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément amortisseur est constitué par un plot (28) ayant toute forme appropriée, par exemple, cylindrique, hémisphérique, pyramidale, tronconique, parallélépipédique, cubique, ledit plot comprenant une portion qui est insérée à l'intérieur d'un logement récepteur (36) formé sur la surface de l'outil et une portion qui fait saillie à l'extérieur dudit logement. 3. Outil de forage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le logement récepteur (36) est constitué par un trou borgne formé sur la surface de l'outil et qui a une forme complémentaire de celle du plot. 4. Outil de forage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le plot est serti dans une gaine (34; 72) qui est ensuite fixée dans un logement (36) formé sur l'outil, par exemple par vissage ou au moyen d'un clips (54). 5. Outil de forage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plots sont placés en un endroit quelconque de l'outil, tel que le nez, les lames (16) ou la garde d'un outil monobloc, ou sur les molettes coniques tournantes (30), les bras (32) ou la garde d'un outil à molettes. 6. Outil de forage selon la revendication 2, caractérisé en ce que dans la masse du plot est noyé un élément de renfort élastique, tel qu'un ressort hélicoïdal (46), destiné à être précontraint en compression. 7. Outil de forage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie du plot qui fait saillie à l'extérieur du logement récepteur (36) est recouverte d'un revêtement protecteur anti-abrasion (48, 50), par exemple en carbure de tungstène ou constituée d'un matériau incluant du diamant. 8. Outil de forage selon la revendication 7, caractérisé en ce que le revêtement protecteur est lui-même recouvert d'une plaquette ou d'un dôme (51) en PDC. 9. Outil de forage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le plot est renforcé par une inclusion dans la masse de l'élastomère d'une charge constituée de fines particules de diamant. 10. Outil de forage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une chambre (38) est ménagée sous le plot (28), entre la base de celui-ci et le fond du logement récepteur (36). 11. Outil de forage selon la revendication 10, caractérisé en ce que le plot (28) est percé sur toute sa hauteur d'un canal (42) reliant la chambre avec l'extérieur. 12. Outil de forage selon la revendication 10, caractérisé en ce que dans le fond du logement est percé un second canal (44) par lequel un fluide sous pression peut être injecté pour expulser les déblais qui s'accumulent dans le premier canal (42). 13. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément amortisseur comprend un bloc d'élastomère (28) reçu dans le fond d'un boîtier (62; 72, 74) en forme de cuvette, dont il n'occupe qu'une partie de la hauteur et une pièce en matière dure (58; 78), par exemple en carbure de tungstène, ladite pièce comportant une portion interne (66) qui occupe la partie restante du boîtier et une portion externe (68) de plus faible section qui fait saillie à l'extérieur du boîtier, les bords (69) de celui-ci étant rabattus sur la portion interne (66) de manière à empêcher ladite pièce (58; 78) de sortir du boîtier. 14. Outil de forage selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite pièce est constituée par un pion (58) comportant une embase plate (66) de même surface que le bloc d'élastomère et qui est munie au centre de sa face supérieure d'un doigt (68) de plus faible section. 15. Outil de forage selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite pièce est constituée par une bille (78) dont une portion de volume supérieur à une demi- sphère est reçue dans le boîtier (72, 74) et dont l'autre portion fait saillie hors du logement. 16. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément amortisseur comprend un manchon (84) en matière élastomère étroitement ajusté dans une gaine (82), et une pièce centrale (86) immobilisée sans frottement à l'intérieur du passage intérieur du manchon, ladite pièce étant espacée du fond du logement récepteur (36) afin qu'elle puisse y coulisser et comportant une portion qui fait saillie à l'extérieur du logement et qui n'est pas recouverte par le manchon. 17. Outil de forage selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'axe de l'élément amortisseur est incliné du côté du sens de déplacement (f) de l'outil de manière que la force de réaction (F) que la formation exerce sur l'élément amortisseur admette une composante (F1) selon l'axe de celui-ci.