BE1010802A3

BE1010802A3 - Tete de forage.

Info

Publication number: BE1010802A3
Application number: BE9601043A
Authority: BE
Original assignee: Dresser Ind
Priority date: 1996-12-16
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 1999-02-02
Also published as: NO326453B1; DE69720035D1; CA2274918A1; NO992906D0; NO992906L; CA2274918C; EP0944764B1; EP0944764A1; DE69720035T2; WO1998027310A1; US6296069B1

Abstract

Tête de forage, telle qu'utilisée notamment dans le domaine d'un creusement de puits de pétrole, comportant un corps central (2), des lames de coupe (3) en saillie par rapport au corps (2), tant en avant de celui-ci suivant un sens de forage que sur les côtés de ce même corps (2), et des éléments coupants (9) répartis sur une surface externe frontale (10) et sur une surface externe latérale (11) de calibrage du puits que comportent chaque lame (3), dans laquelle il est agencé en tant qu'éléments coupants : dans une zone centrale (13) de la surface frontale (10), sur au moins une lame (3) : au moins une plaquette de coupe (12) en comprimé de diamant polycristallin synthétique, et dans une zone restante (14) de la surface frontale (10) de cette lame, située au-delà de ladite zone centrale (13) par rapport à l'axe de rotation, et sur les autres lames : des diamants synthétiques thermostables et/ou des particules de diamant imprégnées.

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 
 EMI1.1 
 



  "Tête de foraqe". 



   La présente invention concerne une tête de forage, telle qu'utilisée notamment dans le domaine d'un creusement de puits de pétrole, comportant - un corps central, - des lames de coupe en saillie par rapport au corps, tant en avant de celui-ci suivant un sens de forage que sur les côtés de ce même corps, et - des éléments coupants répartis sur une surface externe frontale et sur une surface externe latérale de calibrage du puits, les surfaces externes latéra- les des lames faisant partie d'une surface sensible- ment cylindrique. 



   Des têtes de forage utilisées à ce jour peuvent être munies de divers types d'éléments coupants. 



  Parmi ceux-ci on distingue en général les plaquettes de diamant polycristallin synthétique ou PDC (Polycristalline Diamond Compact ou comprimé de diamant polycristallin synthétique), les diamants naturels ou synthétiques dits imprégnés, les grains abrasifs (grits en anglais) en général et les diamants (synthétiques) dits thermostables ou agglomérats de grains abrasifs (grits) ou grains abrasifs agglomérés. 



   Chaque type d'élément coupant comporte bien sûr des avantages et des inconvénients, qui apparaissent entre autres en fonction de la position de l'élément coupant sur la tête de forage. 



   La présente invention résulte d'une étude comparative des avantages et inconvénients des éléments coupants en fonction de leur position sur la tête de 

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 forage, en particulier sur la face avant de celle-ci. Il apparaît par exemple que, dans le cas d'une tête de forage comportant uniquement des particules de diamant imprégnées dans la face avant, celles sur l'axe de rotation ou très proches de celui-ci ont une vitesse périphérique faible pendant la rotation de la tête en cours de forage. De plus, leur profondeur de passe dans une formation à forer est très faible car ces particules sont de faibles dimensions (0,6 à 1 mm maximum) et sont serties mécaniquement dans la tête par un liant, de sorte qu'elles ne dépassent généralement que de 0,4 mm maximum du liant de sertissage.

   En conséquence, la vitesse de pénétration (ROP = rate of penetration en m/heure) est très faible au moins à cause des particules sur ou très proches de l'axe de rotation. Une faible vitesse de rotation périphérique des particules de diamant peut signifier également une pression accrue sur celles-ci : donc un risque plus grand de faire éclater ou d'arracher les particules très proches de l'axe. 



   Cependant à distance de l'axe, grâce aux particules imprégnées on obtient une valeur en carats de diamant très élevée par rapport à ce que l'on pourrait obtenir dans une configuration de tête de forage à plaquettes de PDC. 



   Par contre, une tête de forage à plaquettes de PDC se montre très avantageuse à l'endroit, ou très près, de l'axe de rotation car la valeur en carats de diamant y est suffisante, l'exposition des plaquettes de coupe en saillie par rapport au reste de la tête y assure des profondeurs de passe par tour qui sont appréciables et ces plaquettes offrent à la pression précitée une résistance supérieure à celle des particules de diamant. 



   Ainsi, d'un examen minutieux du comportement des divers éléments de coupe en divers endroits sur la face avant des têtes de forage, il est ressorti la 

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 présente invention suivant laquelle, sur la surface externe frontale des lames, il est agencé en tant qu'éléments coupants : dans une zone centrale de la surface externe fronta- le d'au moins une lame : au moins une plaquette de coupe en comprimé de diamant polycristallin synthé- tique, et dans une zone restante de la surface externe fronta- le de cette lame, située autour de ladite zone centrale, et sur les autres lames : des diamants synthétiques thermostables et/ou des particules de diamant imprégnées. 



   Suivant une forme de réalisation avantageuse de l'invention, ladite zone restante est divisée en deux zones sensiblement circulaires et coaxiales avec ladite zone centrale et, comme élément de coupe, une des zones circulaires comporte des diamants synthétiques thermostables tandis que l'autre zone circulaire comporte des particules de diamant imprégnées. 



   D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront des revendications secondaires et de la description des dessins qui sont annexés au présent mémoire et qui illustrent, à titre d'exemples non limitatifs, une forme de réalisation préférée de l'invention. 



   La figure 1 est une vue schématisée, en coupe suivant la ligne   I-I   de la figure 2 et en élévation, d'une tête de forage de l'invention. 



   La figure 2 est une vue schématisée de la face avant (suivant le sens de forage) de la tête de forage de la figure 1. 



   La figure 3 est une vue schématique en perspective et en élévation d'un support de plaquette et de sa plaquette qui peuvent être mis en oeuvre dans la tête de forage de l'invention. 

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   Les figures 4 et 5,6 et 7,8 et 9 sont chaque fois des vues schématiques respectivement, d'une part, en coupe et en élévation et, d'autre part, de la face avant de trois têtes de forage différentes, de l'état antérieur de la technique, citées ici à titre de comparaison pour montrer l'avantage technique de la tête de forage de l'invention par rapport à elles. 



   La figure 10 est, à une autre échelle, une vue semblable à celle de la figure 2 mais schématisée et concernant une tête de forage dont certaines lames ont une largeur constante et d'autres ont une largeur variable, s'accroissant à partir de leur extrémité la plus proche de l'axe de rotation. 



   Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues. 



   La tête de forage 1 de l'invention peut comprendre un corps central 2 sensiblement cylindrique et des lames de coupe 3 à 8, en saillie par rapport au corps 2, tant en avant de celui-ci suivant un sens de forage que sur les côtés de ce même corps 2. Des éléments coupants 9 sont répartis sur des surfaces externes frontales 10, en considérant le sens du forage, et sur des surfaces externes latérales 11 de calibrage du puits, par exemple pétrolier, à creuser, les lames 3 à 8 comportant ces surfaces externes 10,11. Les surfaces externes latérales 11 font parties d'une surface sensiblement cylindrique d'axe coïncidant avec l'axe de rotation de la tête de forage 1. Les surfaces externes frontales 10 et latérales 11 de chaque lame 3 à 8 se raccordent de préférence suivant une courbure progressive. 



   Suivant l'invention, sur la surface frontale externe 10 d'au moins une des lames 3 à 8 (figures 1 et 2) il est agencé, en tant qu'éléments coupants 9, au moins une plaquette de coupe 12 en comprimé de diamant 

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 polycristallin synthétique (PDC) à l'endroit d'une zone centrale 13 de ladite surface externe frontale 10 et, dans une zone restante 14 de cette surface frontale 10, en dehors de la zone centrale 13, des diamants synthétiques thermostables et/ou des particules de diamant imprégnées, aussi bien sur la lame 3 à 8 munie de plaquette (s) de coupe 12 que sur les autres lames 3 à 8. 



   L'homme de métier connaît la façon de réaliser pour le reste cette tête de forage 1, par exemple par infiltration de métal fondu dans une matrice de poudre de carbure de tungstène placée dans un moule en carbone et munie, avant infiltration et là où ils/elles sont souhaité (e) s, de particules de diamant et/ou des diamants synthétiques thermostables. Ensuite, la ou lesdites plaquettes de coupe 12 peuvent être brasées à leurs places prévues lors du moulage et la matrice infiltrée et refroidie peut être fixée (figure 1) par vissage (en 15) et/ou soudage (en 16) à un corps métallique 17 portant un filet 18 pour le raccordement de la tête 1 à un train de tige (non représenté).

   Un tel brasage de plaquette de coupe 12 peut être réalisé pratiquement en dernier lieu, sur la tête 1 terminée, au moyen d'un alliage de brasage à l'argent à basse température de fusion. 



   Dans le cas de l'exemple des figures 1 et 2, il a été choisi de positionner sur la lame 3 (figure 2) deux plaquettes de coupe 12 portant les références A et D, sur la lame 5 une plaquette de coupe 12 portant la référence C et sur la lame 7 une plaquette de coupe 12 portant la référence B. Les plaquettes de coupe 12 (A, B, C et D) sont projetées (figure 1), par rotation autour de l'axe de rotation, dans un même plan axial afin de montrer la position respective de leurs sillons en cours de forage. Les lames 4,6 et 8 ne portent pas de plaquettes de coupe 12. 

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   Tel que cela est schématisé à la figure 2, chaque plaquette de coupe 12 est fixée à un support 20, connu en soi, dont la forme peut être modifiée à souhait (voir aussi la figure 3), fiché dans la lame correspondante, parallèlement à l'axe de rotation, et pouvant être agencé pour que la face active de chaque plaquette de coupe 12 puisse être inclinée d'un angle de coupe ("rake"en anglais), par exemple de l'ordre de 300, par rapport à un plan axial correspondant. L'inclinaison de cet angle est alors, selon les figure 2 et 3, orientée pour que le bord de coupe antérieur 12A de chaque plaquette 12 (suivant un sens longitudinal d'avance de l'outil 1) soit en arrière (selon le sens de rotation R en cours de forage) par rapport au bord de coupe postérieur 12B de la même plaquette 12 dans la tête de forage 1.

   Les supports 20 sont avantageusement réalisés en carbure de tungstène. 



   Pour la clarté des dessins, les particules de diamant imprégnées et/ou les diamants synthétiques thermostables ou autres encore ne sont pas représentés à la figure 1. Ils sont représentés schématiquement à la figure 2, sur la lame 4 uniquement, sous la forme de triangles. 



   Les lames 3,5 et 7 peuvent ne différer pratiquement que par le nombre et l'emplacement des plaquettes de coupe 12. Les lames 4,6 et 8 peuvent être semblables l'une à l'autre. D'autres agencements de ces lames 3 à 8 peuvent également être préférés, comme celui de la figure 10 expliquée ci-dessous. 



   Un passage 21 pratiquement central peut être prévu pour du liquide de forage, de façon à ce que celui-ci débouche entre les surfaces externes frontales 10 et s'échappe, avec les débris provoqués par le forage, par des canaux s'étendant entre les lames 3 à 8 et le long des côtés du corps 2. 

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   Ladite zone restante 14 (figure 1) peut être elle-même divisée en deux zones sensiblement circulaires et coaxiales 25,26 avec la zone centrale 13. Alors une zone circulaire 25 ou 26 peut ne comporter pratiquement que des diamants synthétiques thermostables tandis que l'autre zone circulaire 26 ou 25 peut ne comporter pratiquement que des particules de diamant imprégnées. 



   Il peut être préféré que les diamants synthétiques thermostables soient disposés dans la zone circulaire 26 située directement autour de la zone centrale 13. 



   Il peut être souhaité également qu'une zone intermédiaire (non représentée), située en anneau entre les deux zones circulaires 25 et 26, soit équipée en partie de particules de diamant imprégnées et en partie de diamants synthétiques thermostables. 



   Les diamants synthétiques thermostables peuvent avoir une forme circulaire et/ou cubique et/ou prismatique à section transversale de préférence triangulaire. 



   Au moins une des plaquettes de coupe 12 peut être composée de plusieurs couches, à savoir par exemple : une couche 27 d'attaque de la formation à forer, en comprimé de diamant polycristallin synthétique, portant cette couche d'attaque 27, une couche intermédiaire 28 en carbure de tungstène, et - portant cette couche intermédiaire 28 et portée par le support 20, une couche 29 en carbure de tungstène combiné à des particules de diamant. 



   Les lames 3 à 8 ont de préférence chacune une épaisseur sensiblement constante sur une partie importante de leur surface externe frontale 10 et sur leur surface externe latérale 11. Les épaisseurs des différentes lames 3 à 8 peuvent être égales. Il peut y 

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 avoir par exemple six lames 3 à 8 sur un corps 2 de tête de forage 1. Le long de la surface cylindrique du corps 2, les lames 3 à 8 peuvent s'étendre de façon rectiligne (figures 1 et 2) ou de façon hélicoïdale (non représentée). 



   Les surfaces externes latérales 11 des lames 3 à 8, qui appartiennent à une surface sensiblement cylindrique, peuvent présenter sur cette dernière, dans une forme de réalisation une épaisseur qui est de l'ordre d'au plus la moitié de la distance circulaire entre deux lames 3 à 8 successives, mesurée sur cette même surface sensiblement cylindrique. 



   La surface externe frontale 10 des lames 3 à 8 est agencée pour déterminer, par les éléments coupants 9, dans la formation du fond d'un puits de forage (non représenté) une surface conique rentrant dans la tête de forage 1 et présentant de préférence un angle de cône entre 100 et 550, de préférence de l'ordre de 450, par rapport à l'axe de rotation de la tête de forage 1. 



   La sélection des zones centrale 13 et restante 14 et/ou 25,26 peut dépendre des formations à forer. Ainsi, pour des roches très dures, il paraît avantageux de choisir un petit diamètre pour la zone centrale 13 et de l'agrandir à mesure que les roches sont moins dures. Pour des formations argileuses, les plaquettes de coupe 12   en PDC   s'avèrent meilleures grâce à leur capacité d'évacuation de ces matières : il y a donc moins de bourrage de la tête 1 aux endroits de ces plaquettes 12. 



   L'utilisation combinée suivant l'invention de plaquettes de coupe 12 en PDC et de particules de diamant imprégnées et/ou de diamants synthétiques thermostables permet de plus de moduler la densité en carats de diamant selon les zones 13 et 14 et/ou 25,26. A titre d'exemple, pour une tête de forage usuelle à 

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 plaquettes 12 en PDC uniquement, d'un diamètre nominal de 8   1/2"   (environ 216 mm) dans laquelle il y a 60 à 80 plaquettes d'environ 3 carats chacune, on a une valeur totale de 200 à 250 carats investis dans cette tête. 



  Dans une tête usuelle équivalente en taille mais à particules de diamant naturel ou synthétique imprégnées, on a une valeur totale de 1000 à 1200 carats investis. 



  Bien sûr cette dernière tête est usuellement utilisée pour des formations nettement plus dures et abrasives que la tête de forage à plaquettes 12 et il y a en conséquence une consommation plus élevée en diamant que dans le cas de cette dernière tête. 



   Un tableau 1 ci-joint montre à titre de comparaison le taux de pénétration (ROP = rate of penetration, en mètres par heure) de différentes têtes de forage usuelles et de celle 1 de l'invention, ainsi que le taux de pénétration d'une couronne de carottage. 



  Ces têtes et couronnes sont de tailles comparables en ce qui concerne leur surface frontale attaquant la formation au devant d'elles. Elles sont soumises à une charge à fond de trou d'un même ordre de grandeur (WOB = weight on bit, de l'ordre de 40,5 à 46,6 kg/cm2). La puissance appliquée sur la tête de forage 1 est indiquée dans la colonne HP ("horse power") du tableau 1 et cette puissance par unité de surface y est indiquée dans la colonne HP/cm2. Les têtes de forage utilisées pour la comparaison sont schématisées dans les figures 4 à 9.

   La tête des figures 4 et 5 comporte douze lames étroites, repérées par des lettres A, F et G selon leur similitudes et traçant une gorge semi-torique à l'aide de particules de diamant imprégnées tandis que le centre est creusé par des diamants synthétiques thermostables situés dans une sortie d'un passage de liquide de forage. La tête des figures 6 et 7 comporte douze lames étroites, repérées par des lettres A, B, C, D et E selon leurs similitudes et creusant un cône de l'ordre de 600 

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 par rapport à l'axe de rotation. La tête des figures 8 et 9 comporte six lames épaisses, repérées par des lettres A, B et C selon leurs similitudes et creusant un cône de l'ordre de 450 par rapport à l'axe de rotation. 



  La couronne choisie pour la comparaison (et non représentée) est équipée uniquement de plaquettes de coupe en PDC, dans un liant dit tendre, sur sa face frontale d'attaque. La même roche a été forée ou carottée par ces différents outils au cours de l'essai comparatif. Le liant utilisé pour les têtes de forage des figures 4 à 9 est également du type dit tendre. 



   Il ressort du tableau 1 que la tête 1 de l'invention a une vitesse de pénétration (ROP) sensiblement supérieure à celles des autres têtes de forage usuelles. 



   Il doit être entendu que l'invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et que bien des modifications peuvent être apportées à ces dernières sans sortir du cadre de la présente invention. 



   Ainsi, comme le montre la figure   10,   des lames 5 à projection en forme de triangle tronqué 5A sur le plan du dessin peuvent être intercalées entre des lames 3,4 dont la largeur est pratiquement constante sur toute leur surface externe. L'utilisation de ces lames 5A permet par exemple de réduire l'intervalle entre deux lames 3, 4 successives. 



   Il va de soi, au vu de ce qui précède, que l'invention peut comprendre également des têtes de forage où toutes les lames présentent une projection en forme de triangle tronqué comme la lame 5A ci-dessus. 

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  TABLEAU 1 
 EMI11.1 
 
<tb> 
<tb> OUTIL <SEP> ROP <SEP> WOB
<tb> m/heure <SEP> kg/cm2
<tb> Couronne <SEP> de <SEP> carottage <SEP> 19,2 <SEP> 16,3 <SEP> 0, <SEP> 7 <SEP> 43,5
<tb> Tête <SEP> de <SEP> forage <SEP> des <SEP> :
<tb> figures <SEP> 4 <SEP> et <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 9 <SEP> 13,5 <SEP> 0, <SEP> 2 <SEP> 40, <SEP> 5
<tb> figures <SEP> 6 <SEP> et <SEP> 7 <SEP> 1, <SEP> 64 <SEP> 17,1 <SEP> 0,28 <SEP> 53
<tb> figures <SEP> 8 <SEP> et <SEP> 9 <SEP> avec <SEP> imprégnation <SEP> 3,68 <SEP> 19,2 <SEP> 0,37 <SEP> 50
<tb> figures <SEP> 8 <SEP> et <SEP> 9 <SEP> sans <SEP> imprégnation <SEP> 4, <SEP> 11 <SEP> 22,9 <SEP> 0,44 <SEP> 51,7
<tb> Tête <SEP> de <SEP> forage <SEP> 1 <SEP> de <SEP> l'invention <SEP> 5,06 <SEP> 31,4 <SEP> 0,60 <SEP> 46, <SEP> 6
<tb>

Claims

REVENDICATIONS 1. Tête de forage, telle qu'utilisée notamment dans le domaine d'un creusement de puits de pétrole, comportant un corps central (2), - des lames de coupe (3 à 8) en saillie par rapport au corps (2), tant en avant de celui-ci suivant un sens de forage que sur les côtés de ce même corps (2), et des éléments coupants (9) répartis sur une surface externe frontale (10) et sur une surface externe latérale (11) de calibrage du puits que comportent chaque lame (3 à 8), les surfaces externes latéra- les des lames (3 à 8) faisant partie d'une surface sensiblement cylindrique, caractérisée en ce que, sur la surface externe frontale (10) des lames (3 à 8), il est agencé en tant qu'éléments coupants : dans une zone centrale (13) de la surface externe frontale (10), sur au moins une lame (3 à 8) :

au moins une plaquette de coupe (12) en comprimé de diamant polycristallin synthétique, et - dans une zone restante (14) de la surface externe frontale (10) de cette lame, située au-delà de ladite zone centrale (13) par rapport à l'axe de rotation de la tête (1), et sur les autres lames : des diamants synthétiques thermostables et/ou des particules de diamant imprégnées.
2. Tête de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite zone restante (14) est divisée en deux zones (25,26) sensiblement circulaires et coaxiales avec ladite zone centrale (13) et en ce que, comme élément de coupe (9), une des zones circulaires (25 ou 26) comporte des diamants synthétiques thermostables tandis que l'autre zone circulaire (26 ou <Desc/Clms Page number 13> respectivement 25) comporte des particules de diamant imprégnées.
3. Tête de forage suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les diamants synthétiques thermostables sont situés dans la zone circulaire (26) située directement autour de la zone centrale (13).
4. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les diamants synthétiques thermostables ont une forme circulaire et/ou cubique et/ou prismatique à section transversale de préférence triangulaire.
5. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les plaquettes (12) en comprimé de diamant polycristallin synthétique sont portées par des supports d'orientation (20) en carbure de tungstène.
6. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'au moins une plaquette (12) précitée est un élément à plusieurs couches dont l'une (27), en avant de la plaquette (12) suivant le sens de rotation en cours de carottage, est en comprimé de diamant polycristallin synthétique (PDC) proprement dit, une suivante (28) est en carbure de tungstène et une dernière (29) est en carbure de tungstène combiné à des particules de diamant.
7. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins une des lames (3 à 8) présente une épaisseur sensiblement constante sur une partie importante de sa surface externe frontale (10) et sur sa surface externe latérale (11), en ce qu'avantageusement toutes les lames (3 à 8) ont sensiblement la même épaisseur et en ce qu'il y a de préférence six lames (3 à 8) autour du corps (2).
8. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que sur la <Desc/Clms Page number 14> surface sensiblement cylindrique précitée, chaque lame (3 à 8) a une épaisseur de l'ordre d'au plus la moitié de la distance circulaire entre deux lames (3 à 8) successives.
9. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'au moins une lame (5A) présente, vue en projection dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la tête de forage (1) une forme de triangle tronqué pointant vers cet axe.
10. Tête de forage suivant la revendication 9, caractérisée en ce que chaque fois une lame (5A) à projection en triangle tronqué est prévue entre deux lames (3,4) à épaisseur sensiblement constante sur leurs surfaces externes frontales (10) et latérales (11).
11. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la surface externe frontale (10) des lames (3 à 8) est agencée pour déterminer au fond d'un puits de forage une surface conique rentrant dans la tête de forage (1) et présentant un angle de cône compris entre 100 et 550 et de préférence de l'ordre de 450 par rapport à l'axe de rotation de la tête de forage (1).