BE1003792A3

BE1003792A3 - Trepan de forage combine.

Info

Publication number: BE1003792A3
Application number: BE9000086A
Authority: BE
Original assignee: Tandberg Geir; Rodland Arild
Priority date: 1989-01-26
Filing date: 1990-01-25
Publication date: 1992-06-16
Also published as: US5016718A; CA2008567A1; GB2227509A; GB2227509B; NO890327D0; NO169735C; US5176212A; NO169735B; NO890327L; GB9001836D0

Abstract

Trépan de forage pour le forage d'un trou dans le sol, muni d'éléments coupants (4) coupant une carotte (13) de manière annulaire étant, lorsqu'une certaine hauteur a été obtenue, concassée de manière continue par des dents (5) sur des cônes roulants (3). La combinaison desdits deux procédés, la coupe et le concassage, réalisant de cette manière une progression de forage améliorée comparée à l'utilisation individuelle desdits procédés. Les éléments coupants possèdent des variations minimes en ce qui concerne la position radiale, permettant de trouver une vitesse de rotation optimale commune pour lesdits éléments. La carotte (13) est molle et peut être enlevée de façon relativement simple à l'aide de concassage, comparé au forage simple des puits. Ceci étant le résultat du fait que la géométrie de la carotte cause une croissance plus efficace de ruptures à chaque pénétration de dent, et que la carotte, grâce à la coupe annulaire est libre de tensions radiales des formations rocheuses l'entourant. A fin d'augmenter la longévité de l'élément coupant PDC (4) la résistance mécanique dudit élément (4) est améliorée grâce au fait que le tranchant est arrondi...

Description

EMI1.1

Trépan de forage combiné. ------------------------La présente invention a trait à un trépan de forage combiné étant développé pour forer des trous par coupe annulaire et concassement continu de la carotte tel que décrit dans le préambule de la revendication 1.

Le nouveau trépan de forage combiné est développé pour effectuer le processus de forage par coupe annulaire et concassement continu de la carotte. Des expériences ont été effectuées avec des jets coupant la carotte de manière annulaire, la carotte étant concassée par un burin de roche, cf. Maurer, W. C. Heilhecker, J. K. and Love, W. W., "High Pressure Drilling"-Journal of Petroleum Technology, Juillet 1973. Lesdites expériences ont eu une multiplication de la rapidité de forage par 2-3 fois pour résultat. Le problème encouru par l'utilisation d'un jet est qu'elle exige une pompe en bas du trou de forage permettant de produire la très haute pression nécessaire à permettre au jet liquide de couper dans la formation.

Des éléments coupants PDC (polycrystalline diamond compact) et des trépans de roche à dents ont été combinés, mais alors seulement afin de limiter la progression du forage dans des formations tendres pour éviter l'empâtement des éléments coupants, cf. US-PS 4 006 788.

Aujourd'hui, deux genres de trépans de forage sont principalement utilisés, ce sont les trépans PDC et les trépans de roche. Les trépans PDC coupent la formation à l'aide d'un tranchant composé d'un nombre d'éléments coupants PDC. Puisqu'il est évident que les éléments coupants tournent à la même vitesse de rotation autour d'un axe commun, la vitesse de coupe variera de zéro au centre jusqu'à un maximum à la périphérie du trépan. Il

est, donc, impossibile de réaliser une vitesse de coupe optimale de tous les éléments coupants en même temps.

Les carottes étant formées lors de l'utilisation d'éléments coupants PDC sont souvent très petites ayant de maigres possibilités d'obtention d'informations géologiques pour résultat. Des trépans PDC ont été réalisés coupant une petite carotte pour analyse géologique, cf. US-PS NO. 4 440 247. Des opérateurs de forage ont rapporté que leurs tentatives d'obtention de carottes plus grandes n'ont que peu de résultat.

Le tranchant des éléments coupants PDC actuels se trouve à un angle de 900 et est très aigu. Par conséquent, il est relativement faible et a tendance à s'ébrécher.

Les trépans de roche brisent la formation à cause des dents fixées sur les trépans de roche étant poussées vers la formation par une force tellement élevée que la roche se brise au-dessous et autour desdites dents. La propagation des fissures causée par la pénétration de chaque dent est relativement minime en ce qui concerne le volume devant être foré à cause de la face relativement plane du fond du trou. Si le volume à être concassé est obtenu dans la forme d'une carotte instable, l'efficacité de pénétration de chaque dent sera fortement améliorée.

De manière conventionnelle, le principe de coupe annulaire avec concassement continu de la carotte n'est pas appliqué aujourd'hui pour des trous de forage. Plusieurs brevets basés sur ce principe sont existants. Suivant un des brevets des diamants cuits dans une matrice sont utilisés. Ce sytème prévoit plus de concassage que de coupe, exigeant un régime élevé pour obtenir une progression de forage satisfaisante. Les cônes rotatifs centraux, étant appliqués pour le concassement de la carotte doivent, dans ce cas, également être actionnés à haut régime, cf. US-PS

NO 3 055 443. Suivant un autre brevet, des tranchants au carbcarbure de tungstène sont appliqués ayant une longévité très limitée du trépan pour résultat à cause d'une résistance insuffisante à l'abrasion des tranchants.

Le dernier trépan mentionné ne produit pas de cavité autour de la carotte avant concassement, c'est-àdire que'la face intérieure du trépan de carotte a un effet stabilisant sur la carotte, cf. US-PS NO 3 075 592.

Un troisième brevet utilise des tranchants exigeant des cannelures/rainures à l'avant ou à l'arrière desdits tranchants. Les cannelures/rainures doivent être assez grandes pour permettres aux pièces de carotte concassées de passer vers l'extérieur du trépan. La carotte est concassée à l'aide d'un rouleau denté ayant un effet de raclage trop important à cause de sa géométrie. Ceci causera les dents du rouleau de s'user bien trop rapidement. Des gicleurs sont utilisés pour rincer le rouleau denté et pour mouiller la carotte afin de la rendre plus molle, cf. US-PS 2 034 073.

Le but de la présente invention est d'utiliser des tranchants de diamant polycristallin et/ou une matière céramique pour la coupe annulaire d'une carotte étant ensuite concassée ou cassée de manière continue. Il est essentiel, dans ce cas, d'obtenir une carotte pouvant être immédiatement concassée. Egalement, les proportions de la carotte doivent être correctes par rapport au volume total devant être enlevé effectivement pour forer le trou. Ceci veut dire qu'une carotte instable ayant un diamètre et une hauteur corrects par rapport au diamètre du trou de forage doit être réalisée. Les efforts de cisaillement inhérents à la carotte peuvent alors être activés de manière avantageuse durant le concassage.

La coupe annulaire pour réaliser ladite carotte est effectuée à l'aide d'un outil et de façon à rendre le forage total plus efficace qu'un forage conventionnel.

Suivant l'invention, un trépan de forage combiné tel que repris ci-dessus est donc suggéré se distinguant par les propriétés décrites dans les caractéristiques de la revendication 1.

Il est important que le trépan de roche est proportionné pour couvrir l'entièreté de la section de la cavité extrême, c'est-à-dire que le trépan de roche doit être tout aussi efficace dans la région annulaire se présentant dans la section entre la face intérieure de l'extrémité de la cavité et la face cylindrique de la carotte instable formée. La matière s'étant détachée résidant dans cette région sera concassée par le trépan de roche et passera par les ouvertures dans la paroi. Les éléments coupants polycristallins ou de céramique étant placés pour former un espace annulaire permettent un coupe annulaire excellente de manière efficace pour former la carotte.

La carotte instable formée se désintégrera sous l'influence des moyens de concassage et la matière de la carotte peut avantageusement passer par des ouvertures relativement petites dans la paroi.

Il est préféré de réaliser une bonne stabilisation du trépan dans le trou, et en même temps un bon transfert de la matière vers le haut, passé le trépan. Ceci est réalisé par une réalisation spéciale de la face extérieure du trépan, avec de grandes parties de paroi-stabilisantes alternant avec des rainures servant au transport vers le haut de la matière forée. Les rainures sont proportionnées pour permettre à des pièces relativement importantes de passer.

Les ouvertures dans les parois et les rainures devraient être conjuguées pour permettre aux parties passant par les ouvertures de passer à l'aide de rainures.

En théorie, une rupture dans la matière apparaîtra à l'endroit où l'effort de cisaillement est au maximum, c'est-à-dire, la rupture aura lieu dans un plan à 450 relatif à l'effort de cisaillement maximal. Dans la roche, la friction interne de la matière est essentielle en ce qui concerne les angles auquels la rupture de la matière commencera. L'angle de rupture peut être définie comme suit : Angle de rupture = 45 -1/2 angle de friction interne.

L'angle interne de friction de la roche variera d'environ zéro à plus de 60 . Les angles de rupture en découlant seront de presque 450 à moins de 150. Lorsque les ruptures ont lieu, elles se développeront toujours le long de la direction de moindre résistance. Durant un concassage continu de carotte la rupture ne traversera généralement pas l'axe de la carotte. Des calculs effectués sur cette base ont démontré que la hauteur instable de la carotte se situe avantageusement entre deux fois et 0, 5 fois le diamètre de la carotte. La direction de la tension principale maximale est alors supposée d'être parallèle à la direction de forage.

Des expériences ont démontré que la plus basse peut être aussi basse que 0,2, étant attribuée à la forme du haut de la carotte durant le concassage en continu ainsi qu'aux variations dans la direction de la tension principale.

Prenant l'énergie en considération, la carotte devrait être de dimension maximale possible mais, afin d'assurer une solidité suffisante du trépan de la carotte, le diamètre de la carotte doit être réduit de manière relative à celui du trou de forage. En considérant les variations de vitesse de forage en travers du trépan de carotte la diamètre de la carotte ne devrait pas être moins de 0,4 fois le diamètre du trou de forage. Afin d'obtenir une coupe annulaire appropriée avec concassage

de carotte de manière continue le diamètre de la carotte devrait donc être au moins de 0,4 fois le diamètre du trou de forage. Il sera alors possible de sélecter une valeur de nombre de tours étant environ optimale pour tous les éléments coupants.

Suivant l'invention, un ou plusieurs gicleurs à haute pression seront reliés avantageusement avec des canalisations de jet dirigées vers la cavité terminale.

Afin de prolonger la longévité des éléments coupants, la résistance mécanique du tranchant peut être amélioré de manière avantageuse en arrondissant les bords à un petit rayon visible.

L'invention sera, à présent, divulguée en plus de détails avec référence aux dessins, dans lesquels : la figure 1 représente une vue en demi-coupe en élévation d ! un trépan suivant l'invention ; la figure 2 représente une vue par derrière du trépan ; la figure 3 représente un élément coupant PDC, son tranchant possédant un rayon visible ; la figure 4 représente le profil du fond du trou formé par un trépan suivant les figures 1 et 2, et la figure 5 représente une vue en coupe suivant la ligne
V-V dans la figure 1.

Dans les figures 1 et 2 un trépan 11 commun possédant des cônes roulants 3 est représenté. En outre,. les éléments coupants 4 en PDC sont représentés, leurs bords étant munis d'un rayon visible, tel que représenté en plus de détails dans la figure 3.

Les éléments coupants 4 sont reliés à un cylindre 1 et agissent à l'encontre de la face de forage annulaire 15, voir figure 4.

Les cônes roulants 3 avec dents 5 agissent sur le dessus 14 de la carotte 13 coupée afin de concasser ledit dessus. Les cône roulants 3 forment partie d'un trépan de roche 11 commun. Tel que représenté dans la figure 1, le trépan de roche 11 est fixé a un moyen de fixation 2 du trépan étant, à son tour, relié au cylindre 1 à l'aide d'une partie filetée 19.

Le trépan tourne autour d'un axe central 17, et, les cônes roulants 3 tournant en même temps autour de leur axe 16.

Par conséquent, le mouvement entre les cônes roulants 3 et la base, étant la face de la carotte 14 dans ce cas, peut être un mouvement rotatif pur. Les morceaux de la partie concassée de la carotte 13 sont transportées à l'aide de liquide d'arrosage vers l'extérieur du trépan de carotte par les ouvertures 6 de sa paroi. Au-dessus des cônes roulants 3 et à l'extrémité du trépan de carotte, à l'assise de la carotte 13 étant forée, les gicleurs 7 de boue de forage s'ouvrent. Le trépan de carotte et la trépan de roche sont, tel que mentionnés, reliés à l'aide d'un moyen de fixation de trépan 2, étant ici aussi utilisé pour la distribution de liquide d'arrosage vers les gicleurs 7.

La liaison entre le trépan et le reste de l'équipement de forage est réalisée par la partie filetée 8. Le numéro 9 indique les rainures pour le transport de matière forée à l'aide du liquide d'arrosage. Des bouchons d'une matière dure éviteront une diminution de diamètre (lors du fonctionnement).

La figure 1 démontre que la cavité terminale 18 est dépouillée par rapport au diamètre de la carotte. Un espace annulaire libre est donc réalisé de cette manière autour de la carotte pour déstabiliser la carotte 13, étant essentiel relativement au concassage et à l'enlèvement successifs de la matière de la carotte.

Grâce à l'invention une carotte molle est réalisée, ladite carotte pouvant être rapidement enlevée à l'aide d'un concassage, comparé au forage simple de trous. Tel que mentionné, ceci est le résultat du fait que la géométrie de la carotte provoque une croissance plus efficace de ruptures et que la carotte, à cause de la coupe annulaire, est libre de tensions radiales causées par la roche qui l'entoure. En tout, une progression de forage améliorée est réalisée comparé aux deux procédés étant utilisés séparément.

La figure 5 montre un développement avantageux des ouvertures dans la paroi 6. La tangente vers la paroi arrière de l'ouverture dans la paroi 6 est, à chaque point, excepté pour un arrondissement à l'entrée, tournée contre la direction de rotation de fonctionnement du trépan par un angle (alpha) relatif à la ligne de secteur du trépan traversant le même point, vu de l'admission de l'ouverture 6 vers la sortie, étant (alpha) = > 0 et < 900. Le terme paroi arrière de l'ouverture signifie le côté de l'ouverture étant le dernier à traverser une ligne de secteur fixe lorsque le trépan est tourné dans une direction opérationnelle. Le secteur signifie une droite s'étendant normalement depuis l'axe de rotation du trépan.

L'admission de l'ouverture 6 signifie le côté à partir duquel la matière forée est admise par l'ouverture 6.

Tel que représenté dans la figure 5 des éléments coupants polycristallins 10 sont prévus et sont tangents à la surface supérieure du trépan.

Claims

Revendications. EMI9.1 --------------- 1. - Un trépan de forage combiné pour forage en coupe annulaire et le concassage et l'enlèvement continu de la carotte, comprenant des éléments coupants (4) placés pour former un espace annulaire et s'étendant du corps d'un trépan (1) et entourant une cavité (18) dans le corps du trépan, ladite cavité (18) étant dépouillée, un outil de concassage de carotte (3) dans ladite cavité (18), des ouvertures (6) dans les parois de la cavité, et des rainures de rinçage (7) s'ouvrant dans la cavité et à l'extremité annulaire du corps du trépan, caractérisé en ce que l'outil de concassage comprend des moyens de concassage (3,5) se déplaçant en direction axiale (dans le puits) de manière relative auxdits éléments coupants (4)

et proportionné de manière à couvrir la région de la section (18) de ladite cavité dépouillée, des éléments coupants (4) placés en forme annulaire étant des éléments coupants en PDC ou en céramique, lesdites ouvertures (6) s'étendant de la région ou la dépouille commence, et en ce que la face extérieure dudit puits étant munie de parties de paroi cylindrique stabilisantes alternées ainsi que de rainures (9) s'étendant longitudinalement depuis ladite extrémité du corps et vers le haut le long du corps (1) pour le transport de la matière coupée, le trépan étant proportionné pour produire une hauteur de carotte instable entre 2 et 0,5 fois le diamètre de la carotte et un diamètre de carotte d'au moins 0, 4 fois le diamètre du puits.

2.-Trépan de forage combiné suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures de rinçage s'ouvrent à l'extrémité de la cavité à l'aide de gicleurs (7) pour l'enlèvement de la carotte. <Desc/Clms Page number 10> 3.-Trépan de forage combiné suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les bords des éléments coupants (4) sont arrondis munis d'un petit rayon visible.

4.-Trépan de forage combiné suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les surfaces des parois stabilisantes du corps (1) du trépan sont munies d'éléments coupants de diamant polycristallin (20) étant placés de manière à permettre à la surface de l'élément coupant de s'étendre le long d'une tangente par rapport à la surface du corps (1) du trépan.

5.-Trépan de forage combiné suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tangente vers la paroi arrière de l'ouverture (6) dans la paroi est tournée à chaque point, excepté pour la partie arrondie à l'admission, à contresens de la direction de rotation du trépan à un angle (alpha) relatif à la ligne de secteur du trépan passant par le même point, vue de l'admission de l'ouverture (6) vers sa sortie, (alpha) étant > 0 et < 9oxo.