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ÉLÉMENTS RAPPORTÉS A POINTE SUPERABRASIVE POUR TRÉPANS DE FORAGE DE TERRE RENVOI AUX DEMANDES APPARENTÉES
La présente demande est une continuation partielle de la demande de brevet US, no. de série 08/468215, déposée le 6 juin 1995, encore en suspens, constituant une continuation de la demande, no. de série 08/300502, déposée le 2 septembre 1994, constituant actuellement le brevet US 5467836, qui est une continuation partielle de la demande, no. de série 08/169880, déposée le 17 décembre 1993, constituant actuellement le brevet US 5346026, qui est une continuation partielle de la demande, no. de série 08/830130, déposée le 31 janvier 1992, constituant actuellement le brevet US 5287936.
Cette demande est également une continuation partielle de la demande de brevet US, no. de série 08/695509, déposée le 12 août 1996, encore en suspens, constituant une continuation partielle de la demande, no. de série 08/468692, déposée le 6 juin 1995, constituant actuellement le brevet US 5592995. Le contenu de chacun des brevets et de chacune des demandes de brevet ci-dessus au nom de la déposante est incorporé ici à titre de référence.
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne des trépans pour le forage de formations souterraines et plus spécifiquement des trépans à molettes (appelés aussi trépans"tricônes"ou"rocher") et des éléments de coupe du type rapporté, à pointe superabrasive, destinés à être utilisés sur les dispositifs de coupe de tels trépans.
TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Le développement des techniques de forage rotatif a facilité la découverte et le développement de réserves profondes de pétrole et de gaz,
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d'abord aux États-Unis et ensuite dans le monde entier. Le trépan tricône à dispositif de coupe à molettes (appelé parfois aussi"cône à molettes" dans la présente demande) a constitué une avance notable dans le cadre des techniques de forage, étant donné qu'un forage des formations moins dures, moins profondes sur une base défendable du point de vue commercial, n'a été possible auparavant qu'avec l'équipement antérieur d'outils à câbles et les trépans à lames à dispositif de coupe métallique primitifs. Le trépan à molettes inventé par Howard R.
Hughes, décrit dans le brevet US 939759, a été capable de forer les strates en surplomb dures dans le fameux "Spindletop field" près de Beaumont, Texas, ayant ainsi révolutionné le
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forage de pétrole et de gaz. Les actuels trépans de forage à molettes ou à dispositif de coupe à molettes présentent des vitesses de pénétration largement améliorées et ont une durée de vie beaucoup plus longue, au-delà de différents intervalles de formations, que les trépans originaux de Hughes, grâce à l'amélioration des conceptions et des matériaux, réalisée dans le cadre de nombreuses décennies. Les principes de base du forage avec des trépans à molettes restent toutefois les mêmes, quoi qu'ils soient beaucoup mieux compris à l'heure actuelle qu'à l'époque du développement original de ce type de trépan.
Les trépans de forage à molettes utilisent en général des éléments de coupe sur les cônes ou les dispositifs de coupe pour induire des contraintes de contact élevées dans la formation en cours de forage, lors du roulement des dispositifs de coupe sur le fond du trou de forage au cours d'une opération de forage. Ces contraintes entraînent la défaillance de la roche de la formation en cours de forage, entraînant la désintégration et la pénétration de la formation. Dans le contexte des conceptions conventionnelles des trépans, les dispositifs de coupe du trépan tournent ou roulent autour d'axes inclinés par rapport à l'axe géométrique ou de rotation du trépan même, par entraînement par le train de tiges.
Les axes de rotation des dispositifs de coupe à molettes sont en fait agencés à un angle substantiel par rapport à l'axe du trépan, s'étendant vers le bas et vers l'intérieur de la branche du trépan adjacente au périmètre extérieur du trépan, en direction de la ligne médiane du trépan, la forme conique de la plupart des dispositifs de coupe conventionnels étant adaptée aux axes des dispositifs de coupe, entraînant plusieurs éléments rapportés dentés ou ajustés par pression qui en font partie intégrante (en général "les éléments de coupe"), débordant vers l'extérieur du côté extérieur du dispositif de coupe, à s'engager dans la formation le long des lignes de contact s'étendant de la base externe ou de la surface de taille périphérique de chaque enveloppe de dispositif de coupe, vers l'intérieur,
en direction de la ligne médiane du trépan. Les éléments de coupe sont typiquement agencés dans des rangées multiples, pratiquement parallèles, généralement circonférentielles autour de l'extérieur du dispositif de coupe, des agencements à éléments de coupe en spirale et de configuration différente étant toutefois aussi connus dans la technique. Des éléments de coupe sont également agencés autour de la périphérie inférieure des cônes des dispositifs de coupe, appelée en général surface de front de taille, des éléments de coupe additionnels ou
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des éléments de raclage pouvant être agencés le long de l'intersection de la surface de front de taille et de la surface de taille périphérique du dispositif de coupe.
Par suite de la conception du trépan, décrite brièvement ci-dessus, et par suite des variations du matériau de la formation, ainsi que du poids appliqué sur le trépan (W08), du couple et de la vitesse de rotation, transmise au trépan à travers le train de tiges, un dispositif de coupe ne roule ou ne tourne pas forcément uniquement au-dessus du fond du trou de forage, le mouvement entre les éléments de coupe et la formation étant réduit ou nul, mais il glisse aussi contre le matériau de la formation par suite du décalage de l'axe du dispositif de coupe par rapport à un plan radial et des variations par rapport à un dispositif de coupe de forme géométrique à vrai roulement, parfaitement conique. Un tel glissement peut aussi être entraîné par la précession du trépan autour de sa ligne médiane.
L'incidence du glissement peut en outre avoir une importance particulière au cours des opérations de forage directionnel, dans lesquelles le trépan est orienté de sorte à forer un chemin ne coïncidant pas tout à fait avec sa ligne médiane, par suite de l'influence de stabilisateurs excentriques, de bases courbées, de boîtiers courbés, ou d'autres éléments de direction passifs ou fixes, ou de mécanismes de direction actifs (bras, tampons, stabilisateurs ajustables, etc), inclus dans l'assemblage du trou du puits. Un tel glissement entraîne une entaille ou un raclage de la formation par les éléments de coupe du trépan, fournissant un mode de coupe différent, bien que non intentionnel, en plus du procédé de concassage ci-dessus.
Un terme générique désignant l'entaille ou le raclage des éléments de coupe coulissants, enlevant du matériau de la formation, est le terme "coupe du type à cisaillement", constituant le mode primaire de coupe dans des trépans à dispositif de coupe fixe ou des trépans à lames, dans lesquels des éléments de coupe non mobiles, comportant souvent des tables de coupe ou des dents en saillie, composées de matériaux superabrasifs, à résistance élevée à l'usure, coupent des fragments ou même des bandes allongées de matériau de la formation en cours de forage. L'existence d'une coupe du type à cisaillement dans les dispositifs de coupe à molettes, bien que reconnue, n'a toutefois pas été largement développée dans la technique.
Les brevets US 5282512 ; 5341890 et 5592995, ainsi que la demande de brevet US parallèle, no. de série 08/695509, déposée le 12 août 1996 et au nom de la déposante de la présente demande, décrivent des éléments de coupe englobant des caractéristiques de conception pour une coupe par
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cisaillement en vue d'une utilisation sur des dispositifs de coupe à cône à molettes. Chacun des brevets ci-dessus ainsi que la demande décrivent l'utilisation d'un élément diamanté préformé, séparé, relativement petit, supporté sur l'extérieur de l'élément rapporté métallique ou agencé dans une cavité ou un évidement correspondant, composé typiquement de carbure, par exemple de carbure de tungstène cimenté (WC).
Les parties de l'élément rapporté métallique de ces éléments de coupe forment une majorité de la surface externe des éléments rapportés exposés à la formation, au fluide de forage et aux débris de la formation.
Une autre approche concernant la formation d'éléments de coupe superabrasifs du type rapporté a consisté à former une gaine ou un revêtement de matériau superabrasif (diamant) au-dessus d'un corps rapporté en WC, d'autres métaux et alliages ayant toutefois aussi été utilisés dans la technique. Les brevets US 4604106 ; 5045092 ; 5145245 ; 5161627 ; 5304342 ; 5335738 ; 5379854 ; 5544713 et 5499688, ainsi que la demande de brevet parallèle, no. de série 08/633983, déposée le 17 avril 1996, décrivent de tels éléments rapportés à gaine ou à revêtement.
Certains de ces brevets décrivent aussi l'utilisation d'éléments diamantés séparés, relativement petits, agencés ou formés dans des évidements dans la surface d'un élément rapporté, de tels éléments étant ou bien exposés à l'intérieur de l'élément rapporté ou bien recouverts d'une gaine ou d'un revêtement diamanté. Le brevet US 4109737 décrit l'utilisation d'une fine couche d'aggloméré compacte de diamant polycristallin sur l'extrémité d'un élément de coupe du type à tige, destiné à être utilisé sur des trépans à lames.
Une approche encore différente concernant un élément de coupe superabrasif du type rapporté pour des trépans à molettes a été décrite dans les brevets US 5159857 ; 5173090 ; et 5248006. Ces brevets ont une approche radicalement différente en ce qui concerne les éléments rapportés superabrasifs, utilisant un noyau en aggloméré compact de diamant polycristallin formé à pression et à température élevées, entouré par une gaine métallique dure, relativement fine, tubulaire, et comportant dans certains cas une base intégrante ou un plancher du même métal, formant une structure en forme de coupe, remplie de diamant. La gaine métallique est formée initialement avec une épaisseur de paroi excessive, de sorte que l'élément rapporté peut être usiné avec un diamètre voulu en vue de l'insertion dans un dispositif de coupe à molettes.
Dans un élément rapporté composé pour l'essentiel de métal et ne comportant que de petits éléments diamantés séparés qui y sont agencés au
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niveau d'un ou de deux emplacements sélectionnés, il faut prévoir avec précision les intensités et l'orientation de la charge appliquée au dispositif de coupe et à l'élément rapporté pour assurer un positionnement et une orientation corrects des éléments diamantés. Dans certains cas, le corps rapporté métallique et les éléments diamantés séparés sont en outre préformés séparément et exigent une fixation mutuelle ultérieure par brasage ou par d'autres techniques de liaison métallurgiques.
Dans un élément rapporté ne comportant qu'une gaine superabrasive (diamantée), le matériau de la tige métallique sous-jacente supporte en dernier lieu la charge appliquée à l'élément rapporté au cours du forage, que ce soit l'application d'une charge du type à compression, pour laquelle les éléments rapportés ont été essentiellement conçus, ou bien l'application d'une charge du type à cisaillement, citée ci-dessus. La gaine diamantée peut ainsi elle-même être soumise à une contrainte de traction, en présence de laquelle elle est très faible et présente un rapport de défaillance sous contrainte remarquablement bas, par suite d'un affaissement de la pointe métallique sous-jacente. L'affaissement du matériau de la pointe peut entraîner une fissuration, un écaillage, une cassure ou un délaminage de la gaine diamantée de la pointe.
D'un autre point de vue, le gradient de contrainte dans une fine gaine ou enveloppe diamantée est extrêmement élevé, entraînant une défaillance précoce si on ne prévoit pas de support par un matériau de rigidité égale. Les contraintes thermiques peuvent aussi aggraver les problèmes ci-dessus. Les forces de cisaillement peuvent en outre appliquer une contrainte de traction à la surface de jonction diamant/métal (déjà soumise à une contrainte résiduelle depuis la fabrication), entraînant de nouveau une dégradation de la gaine diamantée ou de sa liaison avec la tige.
Les éléments rapportés à noyau diamanté ne comportant qu'une enveloppe ou une gaine métallique entourant la masse diamantée, s'étendant pratiquement sur la longueur de l'élément rapporté, ne souffrent pas de la même façon de détériorations induites par l'application de charges que les éléments rapportés à gaine diamantée, étant donné que le matériau du noyau diamanté absorbe lui-même les charges appliquées, de tels éléments rapportés ne pouvant toutefois normalement pas soutenir l'impact ou la contrainte élevée appliqué sur la pointe superabrasive, sans fissuration de l'enveloppe ou de la gaine métallique, entraînant fréquemment une perte de l'élément rapporté du dispositif de coupe.
Les éléments rapportés à noyau diamanté exigent en outre un grand volume de particules diamantées
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chères pour former le noyau diamanté, le procédé de formation de tels éléments de coupe à noyau diamanté donnant un nombre très réduit de pièces au cours de chaque opération de la presse à diamants.
Il a été envisagé de produire un élément de coupe diamanté pour un trépan à lames, avec une structure pratiquement superabrasive, comme décrit dans les demandes de brevet US parallèles et au nom de la déposante, no. de série 08/602076 et la demande de brevet US, no. de série 08/602050, déposées toutes les deux le 15 février 1996 et incorporées ici à titre de référence. Seuls des développements assez généralisés ont toutefois été décrits en ce qui concerne le concept de formation des éléments rapportés du dispositif de coupe à molettes en termes de structure interne et externe spécifiques, ou en ce qui concerne le montage des éléments rapportés dans le dispositif de coupe à molettes même.
Il existe donc toujours une demande pour des éléments de coupe superabrasifs du type rapporté, efficaces et robustes, pouvant être utilisés sur des trépans du type à dispositifs de coupe molettes, pouvant être fabriqués de façon efficace et économique, par l'intermédiaire de techniques de fabrication connues, et pouvant être montés sur un dispositif de coupe à molettes d'une manière réduisant au minimum le risque d'une perte ou d'un endommagement de l'élément de coupe pendant le fonctionnement.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
La présente invention fournit un élément de coupe superabrasif du type rapporté destiné à être utilisé dans des trépans à molettes, un tel élément de coupe soutenant la charge appliquée à l'élément de coupe à travers la masse autoportante du matériau superabrasif, composant au moins une partie substantielle de la surface externe exposée de l'élément de coupe, débordant au-dessus de la surface de l'enveloppe du dispositif de coupe, l'élément de coupe étant fixé dans une ouverture dans la surface de l'enveloppe du dispositif de coupe par un matériau résistant à la rupture, comprenant de préférence une tige de carbure métallique cimenté agencée audessous de la masse superabrasive.
Cette conception est nettement différente de celle de la technique antérieure, décrite ci-dessus, dans laquelle seule une enveloppe diamantée superficielle est agencée au-dessus d'un corps de tige métallique à support de charge, un élément diamanté séparé étant formé ou fixé sur un tel corps de tige, une combinaison des deux caractéristiques ci-dessus étant utilisée, ou avec utilisation d'un
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élément rapporté à noyau diamanté ne comportant qu'une gaine métallique fine, cylindrique et tubulaire qui l'entoure.
La masse du matériau superabrasif, utilisée dans les éléments de coupe selon la présente invention, compose spécifiquement une partie substantielle de l'extrémité débordante de l'élément de coupe s'engageant dans la formation au cours des opérations de formage, et est supportée d'en-dessous dans l'enveloppe du dispositif de coupe par le carbure résistant à la rupture.
La masse de matériau superabrasif a une profondeur suffisante, au moins dans la direction ou les directions de l'application anticipée des charges prédominantes à l'élément de coupe (variant en fonction de l'emplacement de l'élément de coupe et selon qu'il s'agit d'un élément de coupe de front de taille, de taille périphérique ou de rangée interne) pour soutenir une telle charge appliquée, d'une intensité suffisante pour entraîner l'affaissement du matériau du carbure sous-jacent, sans entraîner la rupture, l'écaillage ou le délaminage du matériau superabrasif.
Un autre caractéristique avantageuse de la présente invention concerne la configuration de coopération de l'élément de coupe et de son ouverture de réception correspondante dans le dispositif de coupe à molettes, pour assurer qu'une quelconque surface de jonction entre la masse superabrasive et le corps de la tige, en particulier dans la direction du déplacement de l'élément de coupe contre la formation, et flanquant celleci, est agencée au-dessus (c. à. d. à l'extérieur) de la profondeur de la coupe (DOC) effectuée par l'élément rapporté dans la formation. Dans une forme de réalisation, la surface de jonction exposée matériau superabrasif/métal est située au-dessous de la surface de l'enveloppe du dispositif de coupe après la fixation de la tige ou du corps de l'élément rapporté de l'élément de coupe dans l'enveloppe du dispositif de coupe.
La région soumise à des contraintes relativement élevées entourant la limite entre le métal et le matériau superabrasif de l'élément de coupe est ainsi décalée verticalement des contraintes de cisaillement produites par le contact de l'élément rapporté avec la formation. Lorsque la limite externe exposée de la surface de jonction est en outre évidée dans l'enveloppe du dispositif de coupe, elle est protégée dans une large mesure de l'environnement érosif et abrasif dans le trou de forage.
Une autre caractéristique de l'invention concerne le pouvoir de configurer la masse superabrasive de sorte à présenter ou à définir au moins une arête de coupe, s'engageant dans la formation en cours de forage, dans le cadre d'une action de coupe du type à cisaillement, et à soutenir
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de préférence les charges provenant de la coupe du type à cisaillement et à concassage.
Dans la forme de réalisation préférée de la présente invention, le matériau superabrasif utilisé comprend un aggloméré compact de diamant polycristallin (PDC), la tige de support ou le corps rapporté constituant la partie résiduelle étant composé de carbure de tungstène cimenté, et l'élément de coupe étant ajusté par serrage (c. à. d. par pression), par brasage ou d'une autre façon dans une ouverture de profondeur appropriée dans la surface de l'enveloppe du dispositif de coupe.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une vue en perspective d'un trépan de forage pour le forage de formations souterraines selon la présente invention ; la figure 2 est une élévation latérale en partie en coupe d'un premier élément de coupe de front de taille selon l'invention ; la figure 3 est une élévation latérale en partie en coupe d'un deuxième élément de coupe de front de taille selon l'invention ; la figure 4 est une élévation latérale en partie en coupe d'un premier élément de coupe de taille périphérique selon l'invention ; la figure 5 est une élévation d'en haut d'une première configuration topographique externe modifiée de l'élément de coupe de la figure 4 ; la figure 6 est une élévation d'en haut d'une deuxième configuration topographique externe modifiée de l'élément de coupe de la figure 4 ;
la figure 7 est une élévation latérale en partie en coupe d'un deuxième élément de coupe de taille périphérique selon l'invention ; la figure 8 est une élévation d'en haut d'une configuration topographique externe de l'élément de coupe de la figure 7 ; la figure 9 est une élévation d'en haut d'une première configuration topographique externe modifiée de l'élément de coupe de la figure 7 ; la figure 10 est une élévation latérale en partie en coupe d'un deuxième élément de coupe interne selon la présente invention ; la figure 11 est une élévation latérale en partie en coupe d'un deuxième élément de coupe interne selon l'invention ; la figure 12 est une élévation d'en haut d'une configuration topographique externe de l'élément de coupe de la figure 11 ;
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la figure 13 est une élévation latérale d'un élément de coupe de taille périphérique selon l'invention, montrant une partie du corps de l'élément rapporté débordant dans la pointe superabrasive et configurée de sorte à fournir une masse superabrasive autoportante contre l'application d'une charge latérale ; la figure 14 est une élévation latérale d'un élément de coupe selon l'invention, montrant une partie du corps rapporté débordant dans ta pointe superabrasive et configurée de sorte à fournir une masse superabrasive autoportante améliorée dans des zones sélectionnées contre les charges appliquées à la pointe superabrasive de l'élément de coupe ;
la figure 15 est une élévation latérale d'un élément de coupe selon l'invention, l'élément de coupe englobant une série de chanfreins arqués, contigus sur une surface externe de la masse superabrasive ; les figures 16 et 17 sont respectivement une vue de profil et une vue latérale d'un élément de coupe en forme de ciseau englobant une saillie du corps rapporté dans la masse superabrasive ; les figures 18 et 19 sont respectivement une vue de profil et une vue latérale d'un élément de coupe en forme de ciseau comportant une surface de jonction entre la masse superabrasive située au-dessus de la surface du dispositif de coupe et la partie cylindrique de l'élément de coupe ;
et la figure 20 est une vue latérale d'un élément de coupe selon l'invention, dans lequel la surface de jonction entre la masse superabrasive et le corps de l'élément rapporté se situe au-dessous de la profondeur de coupe sur la face d'attaque et des flancs de l'élément de coupe et au-dessus de la profondeur de coupe sur la face de fuite.
MEILLEURS MODES D'EXÉCUTION DE L'INVENTION
Différentes vues des dessins, en particulier la figure 1, représentent un trépan de forage selon la présente invention. Le trépan 11 englobe un corps de trépan 13, englobant une tige filetée 15 au niveau de son extrémité supérieure, destinée à être connectée à un train de tiges, ceci étant bien connu dans la technique. Chaque branche ou section du trépan 11 comporte un compensateur de lubrification 17, une forme de réalisation préférée correspondante étant décrite dans le brevet US 4276946, au nom de Millsaps. Au moins une buse 19 est agencée dans le corps du trépan 13 pour diriger du fluide de forage reçu de l'intérieur du train de tiges, pour refroidir et lubrifier l'action de coupe du trépan 11, et pour éliminer le matériau découpé de la formation en cours de forage.
Trois
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dispositifs de coupe 21,23 et 25, ayant en général une configuration externe conique, sont chacun fixés par rotation à un arbre de support associé à chaque branche du corps de trépan 13 et débordant de celui-ci. Chaque dispositif de coupe 21,23, 25 possède une surface d'enveloppe externe du dispositif de coupe, englobant une surface de front de taille 31 et une surface de taille périphérique 41.
Plusieurs éléments de coupe, sous forme d'éléments rapportés en forme de tige, sont agencés dans des rangées généralement circonférentielles s'étendant autour de chaque dispositif de coupe 21,23, 25. La surface de front de taille 31 de chaque dispositif de coupe supporte une rangée d'éléments de coupe de front de taille 33, une surface de taille périphérique 41 de chaque dispositif de coupe, coupant la surface de front de taille 31 de ce dispositif de coupe, supportant au moins une rangée d'éléments de coupe de taille périphérique 43.
Dans certaines applications, il est préférable qu'au moins un élément de coupe de raclage 51 soit fixé à chaque surface de l'enveloppe du dispositif de coupe, dans l'emplacement général de l'intersection entre les surfaces de front de taille et de taille périphérique, 31 et 41, entre une paire d'éléments de coupe de taille périphérique 43.
La partie externe de la structure de coupe de chaque dispositif de coupe, comprenant des éléments de coupe de taille périphérique 43, des éléments de coupe de front de taille 33, et une deuxième structure de coupe sous forme d'au moins un élément de coupe de raclage 51, concasse et racle le matériau de la formation au niveau du coin et la paroi latérale du trou de forage, lors du roulement et du glissement des dispositifs de coupe 21, 23,25 à travers le matériau de la formation au niveau du fond du trou de forage, lors de la rotation du trépan Il en présence du couple appliqué et du WOB. Les extrémités débordantes des éléments de coupe de taille périphérique 43 assurent la première action de coupe, assistée de façon secondaire par les éléments de coupe de raclage 51.
Lors de l'usure des surfaces les plus externes des éléments de coupe de taille périphérique 43, les éléments de coupe de front de taille 33 contactent la paroi latérale du trou de forage et s'engagent dans celle-ci pour maintenir le diamètre d'écartement. Les éléments de coupe 53 agencés dans des rangées généralement circonférentielles, radialement vers l'intérieur des rangées des éléments de coupe de taille périphérique 43, sont appelés éléments de coupe internes, plusieurs rangées de tels éléments de coupe internes 53 étant agencées sur chaque dispositif de coupe 21,23, 25.
Chaque dispositif
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de coupe 21,23, 25 englobe ainsi typiquement une rangée ou un anneau d'éléments de coupe de front de taille 33, une ou plusieurs rangées ou anneaux d'éléments de coupe de taille périphérique 43 et une ou plusieurs rangées ou anneaux d'éléments de coupe internes 53.
La force et la résistance à l'usure ainsi que l'efficacité de coupe des éléments de coupe de front de taille 33, des éléments de coupe de taille périphérique 43 et des éléments de coupe interne, débordant d'une distance substantielle vers l'extérieur à partir des surfaces de l'enveloppe du dispositif de coupe, sont améliorées en formant une partie substantielle de ces extrémités externes ou saillies des éléments 33,43 et 53 à partir d'une masse autoportante de matériau superabrasif, structurée de sorte à concasser efficacement la formation avec une telle masse superabrasive, en présence d'une contrainte de compression extrême.
Des contraintes de traction élevées de sous-surface ou internes induites dans les éléments de coupe par des contraintes de contact extrêmes peuvent ainsi être absorbées par la masse de matériau superabrasif à résistance élevée. La masse superabrasive dépasse de préférence d'au moins dix pour cent le volume de la pointe de travail de l'élément de coupe, le terme "pointe de travail"étant défini comme correspondant à la partie de l'élément de coupe destinée à s'engager dans la formation. L'utilisation d'une masse superabrasive relativement importante améliore aussi le transfert de chaleur entre la zone d'engagement de l'élément de coupe dans la formation, des matériaux superabrasifs comme le diamant assurant un transfert de chaleur largement supérieur à celui des carbures.
La contrainte au niveau de la surface de jonction entre le matériau superabrasif et le corps de l'élément rapporté des éléments de coupe selon l'invention, utilisant une masse autoportante de matériau superabrasif, est largement inférieure à celle existant dans le cas d'utilisation d'enveloppes ou de gaines fines diamantées selon la technique antérieure. La masse superabrasive autoportante des éléments de coupe selon l'invention empêche la superposition d'une contrainte élevée produite en service (pendant le forage) à la contrainte résiduelle élevée provenant de la fabrication, située dans la région de la surface de jonction.
L'utilisation d'un seul matériau superabrasif unitaire pour absorber les charges de coupe est en outre avantageuse et permet de supprimer la nécessité de soutenir de telles charges avec le module d'élasticité nettement plus faible du matériau adjacent du carbure sous-jacent existant dans l'élément de coupe du type à"enveloppe"superabrasive, supprimant ainsi la nécessité
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d'utiliser plusieurs couches de diamant et/ou de carbure pour changer le module progressivement entre l'extérieur et le noyau de l'élément de coupe.
En outre, contrairement à l'opinion conventionnelle, partagée par les fabricants de diamants synthétiques, affirmant qu'une table ou une masse diamantée plus épaisse est moins durable qu'une table fine, les inventeurs ont découvert que cela n'est pas le cas, à condition que la table ou masse plus épaisse soit fabriquée avec une intégrité comparable à celle d'une table ou masse plus fine.
Les inventeurs ont aussi démontré, de nouveau contrairement aux instructions conventionnelles de la technique, que les éléments rapportés superabrasifs peuvent soutenir de façon satisfaisante l'application d'une charge latérale (c. à. d. pratiquement transversale à l'axe longitudinal de l'élément de coupe du type à tige), sans dégradation notable, de sorte à être efficaces dans une coupe du type à cisaillement en présence d'une telle charge, à condition que la profondeur du matériau superabrasif rentrant dans la formation soit égale ou supérieure à la profondeur de coupe (DOC) dans la formation. Dans la mesure où la DOC dépasse la profondeur de la surface de jonction diamant/carbure, on peut toutefois assister à un délaminage rapide du diamant du carbure.
Comme une DOC typique pour un trépan à molettes (en fonction de la résistance de la formation et de l'application), est normalement comprise dans un intervalle allant d'environ 0,010 à environ 0,150 pouce, et qu'il est maintenant connu dans la technique de fabriquer des"tables"diamantées sur les extrémités des cylindres de carbure avec une épaisseur s'approchant au moins de 0,150 pouce pour un élément de coupe d'un trépan à lames (dans lequel une arête de coupe d'une face de coupe bidimensionnelle orientée transversalement à l'axe longitudinal du cylindre est agencée avec une inclinaison arrière négative par rapport à la formation pour cisailler le matériau de celle-ci), un élément de coupe de trépan à molettes avec une pointe ou un capuchon superabrasif autoportant peut ainsi être fabriqué de façon économique,
avec par exemple une distance de 0,150 pouce entre la surface de jonction matériau superabrasif/métal et la pointe de la masse superabrasive, permettant, comme indiqué ci-dessus, de décaler la surface de jonction de la DOC, et si nécessaire, d'évider ou de cacher la surface de jonction diamant/métal au-dessous du rebord de l'ouverture dans l'enveloppe du dispositif de coupe dans laquelle est fixé l'élément de coupe. Des commandes appropriées des procédés de frittage (pressage) au cours de la fabrication du matériau superabrasif et un recuit après le pressage permettant en outre d'obtenir des profondeurs de la masse du
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matériau superabrasif (PDC) largement supérieures à 0,150 pouce, donnant des DOC potentielles beaucoup pus grandes que celles appliquées typiquement dans les trépans pour formations dures, abrasives.
Il est également possible de simuler une pointe superabrasive relativement plus profonde ou plus longue sans utiliser uniquement le matériau superabrasif dans la pointe, en configurant une partie centrale de la tige de carbure de sorte à s'étendre dans le matériau superabrasif, la surface de jonction entre le matériau superabrasif et le carbure étant ainsi plus basse (vers la base de la tige) sur l'extérieur de l'élément de coupe et plus haute au centre.
Avec une telle configuration, le matériau superabrasif doit évidemment avoir toujours une profondeur ou une épaisseur suffisante pour soutenir et absorber les charges de coupe, plutôt que de transmettre les charges vers le matériau sous-jacent plus souple de la tige. Par suite des valeurs et des directions différentes de l'application des charges aux éléments de coupe d'un dispositif de coupe à molettes, montés dans différentes positions sur les dispositifs de coupe, et de la possibilité de prévoir au moins en partie celles-ci, il peut aussi être possible de configurer un élément de coupe avec une masse superabrasive à orientation directionnelle telle à soutenir des configurations de charge prévues ou démontrées,
une partie résiduelle substantielle de la pointe débordant de l'élément de coupe étant recouverte d'une enveloppe plus fine pour assurer la résistance à l'abrasion et à l'érosion.
Au moins certains des éléments de coupe 33,43 et 53 présentent ou définissent de préférence au moins une arête de coupe destinée à s'engager par cisaillement dans le matériau de la formation du trou de forage. Dans le cadre de la présente description, le terme"superabrasif"est synonyme de l'autre terme"superdur"et est destiné à englober, sans limitation, le diamant naturel, les agglomérés compacts de diamant polycristallin (PDC), le nitrure de bore cubique, un quelconque de ces matériaux pouvant aussi être revêtu du même matériau superabrasif ou d'un matériau différent, par exemple par dépôt par vapeur chimique pour produire un élément de coupe superabrasif à revêtement de film.
Les surfaces de l'élément de coupe peuvent de même être meulées, rodées ou même polies pour avoir une finition de surface extrêmement lisse, par exemple un fini spéculaire, comme décrit dans le brevet US 5447208, au nom de la déposante. Dans une forme de réalisation préférée, les éléments de coupe 33,43 et 53 comprennent des masses superabrasives d'un matériau d'aggloméré compact de diamant polycristallin conventionnel (sans stabilité thermique), formé sur des
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corps en forme de tige, généralement cylindriques, en carbure de tungstène cimenté, au cours du procédé de pressage à pression et à température extrêmement élevées, appliqué pour former de tels agglomérés compacts.
Les masses superabrasives peuvent aussi être formées sous forme d'ébauches cylindriques ou d'une autre forme et façonnées par meulage à décharge électrique (EDG) ou par usinage à décharge électrique (EDM), ces techniques étant bien connues. Les ébauches façonnées peuvent ensuite être brasées en des tiges de carbure appropriées ou en d'autres formes de base, en vue de la fixation sur le dispositif de coupe.
Différentes formes de réalisation des éléments de coupe du type rapporté selon la présente invention seront décrites ci-dessous en référence aux dessins des figures 2 à 20. En vue d'une meilleure compréhension et d'une plus grande clarté, les caractéristiques communes de chacune des formes de réalisation des éléments de coupe sont identifiées par des numéros de référence similaires. Chacun des éléments de coupe illustrés englobe par exemple un corps rapporté dur, résistant à la rupture 100, formé de préférence à partir d'un carbure fritté ou à pressage isostatique à chaud, par exemple de carbure de tungstène cimenté.
Chacun des éléments de coupe selon l'invention comprend en outre une masse superabrasive 102, fixée au corps de l'élément rapporté 100, qui, en cas de saillie d'une surface de l'enveloppe d'un dispositif de coupe, par exemple des dispositifs de coupe 21,23 ou 25, déborde de celle-ci sur une distance suffisante pour assurer une DOC voulue dans la formation devant être forée. Dans le cadre de la présente description, le terme "superabrasif"englobe les matériaux cités ci-dessus, et en général les matériaux ayant une dureté supérieure à 2800 sur l'échelle de dureté de Knoop.
La surface de jonction 104 entre le corps de l'élément rapporté 100 et la masse superabrasive 102 est caractérisée par une limite externe exposée 106, située, au moins dans la direction de la rotation du dispositif de coupe sur lequel est monté l'élément de coupe selon l'invention, au-dessus (en-dehors) de la DOC pour laquelle l'élément de coupe et le trépan sont conçus, compte tenu des caractéristiques de la roche de la formation devant être forée.
La figure 2 des dessins illustre un premier élément de coupe de front de taille 150 selon la présente invention. La forme géométrique et la dynamique de l'action de coupe de trépans de forage de terre sort extrêmement complexes, mais on estime que le fonctionnement de l'élément de coupe de front de taille 150 selon la présente invention (devant être
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placé comme élément de front de taille 33 dans le trépan de la figure 1) est similaire à celui d'un outil de coupe de métal. Le dispositif de coupe 21 tourne par exemple le long du fond du trou de forage, la surface de front de taille 21g de ce dispositif de coupe 21 contactant la paroi latérale 300 du trou de forage.
Comme la surface de front de taille 21 contacte la paroi latérale 300 du trou de forage, l'élément de coupe de front de taille en saillie ou l'élément rapporté 150 contacte de même la paroi latérale 300, et l'arête de coupe 152 de l'élément ou de l'élément rapporté 150 coupe par cisaillement dans le matériau de la paroi latérale 300. Le biseau 154, à partir duquel s'étend l'arête de coupe 152, comprend une face de coupe pour l'élément de coupe 150 et sert de surface de coupe ou de surface de rupture de fragments, entraînant une contrainte de cisaillement dans le matériau de la paroi latérale 300 du trou de forage, éliminant ainsi par cisaillement des fragments ou des morceaux du matériau du trou de forage.
Dans la forme de réalisation de la figure 2, le biseau 154 comprend une surface pratiquement plate ou plane, s'étendant à travers l'élément de coupe 150 et orientée de façon pratiquement transversale à la direction de coupe, l'arête de coupe 152 étant pratiquement linéaire. Le restant de l'élément de coupe 150, débordant au-dessus de la surface de front de taille 21g sur le même plan que le biseau ou la face de coupe 154, comprend un biseau circonférentiel en tronc de cône 158.
Si la face externe pratiquement plate 156 de l'élément ou de l'élément rapporté 150 reste au moins partiellement en contact avec la paroi latérale 300 du trou de forage, elle est soumise à une usure par abrasion plus importante en service, étant donné qu'une certaine quantité de matériau fin 302 passe à travers la surface de jonction soumise à une contrainte élevée entre l'élément de coupe 150 et la formation. La conception préférée de l'élément rapporté comporte donc l'arête de coupe d'attaque 152, cisaillant la formation, et légèrement plus haute que la face externe plate 156, inclinée à un petit angle de dégagement d'environ 5 degrés par rapport à la surface de front de taille, sans contact notable avec la paroi du trou de forage.
Une telle inclinaison peut être réalisée par une orientation angulaire appropriée de l'élément de coupe 150 dans l'enveloppe du dispositif de coupe, ou en fabriquant l'élément de coupe 150 de sorte que la face externe 156 forme un petit angle par rapport à la ligne perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'élément de coupe.
La face externe 156 de l'élément de coupe ou de l'élément rapporté 150 devrait s'étendre sur une distance p à partir de la surface de front
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de taille 21g au cours des opérations de forage. Une telle saillie améliore le pouvoir d'engagement par cisaillement de l'arête de coupe 152 dans la paroi latérale 300 du trou de forage et établit un espace pour le déplacement du matériau cisaillé vers les côtés de l'élément de coupe 150.
Au cours des opérations de forage dans des formations abrasives, la surface de front de taille 21g sera érodée progressivement, accroissant une quelconque distance p correspondant au débordement ou à l'extension de la face externe 56 de la surface de front de taille 21g. Si la face externe 156 s'étend sur une distance largement supérieure à 0,075 pouce de la surface de front de taille 21g, l'élément rapporté ou l'élément 150 peut subir des contraintes de flexion excessives, pouvant entraîner une rupture ou une défaillance prématurée de l'élément de coupe ou de l'élément rapporté 150. La face externe 156 ne devrait donc pas s'étendre sur une distance p importante de la surface de front de taille 21g lors de l'assemblage et avant les opérations de forage.
La face externe 156 peut se situer au niveau de la surface de front de taille 21g lors de l'assemblage, ou peut s'étendre de préférence sur une distance p minimale de 0,010 pouce, et dans les cas les plus préférés comprise dans l'intervalle allant de 0,015 à 0,060 pouce, pour la majorités des trépans.
La dimension de l'arête de coupe 152 et l'orientation du biseau ou de la face de coupe 154 sont importantes pour l'opération de coupe de l'élément de coupe 150. Lors de l'entaille de la paroi latérale 300 du trou de forage, l'angle du biseau 154 définit un angle d'inclinaison a par rapport à une ligne perpendiculaire à la partie de la paroi latérale 300 du trou de forage découpée. Dans les éléments de coupe selon la présente invention, cet angle d'inclinaison a peut aussi être mesuré par rapport à l'axe longitudinal de l'élément de coupe. On estime que l'angle d'inclinaison a devrait être négatif (de sorte que le biseau ou la face de coupe 154 dirige l'arête de coupe 152 dans la direction du déplacement de l'élément de coupe contre la paroi latérale 300 du trou de forage), pour empêcher l'application d'une charge excessive à l'arête de coupe 152.
Le choix de l'angle d'inclinaison a dépend de l'agressivité voulue de l'action de coupe. En présence d'un angle d'inclinaison a élevé, par exemple de 90 degrés, il n'y a pas d'arête de coupe et donc pas d'action de cisaillement ; en présence d'un petit angle d'inclinaison a, par exemple de 0 degré, le biseau ou la face de coupe 154 étant perpendiculaire à la paroi latérale 300 du trou de forage, l'action de cisaillement est maximale pour une face de coupe à inclinaison négative ou neutre, une telle orientation de la face
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de coupe étant toutefois accompagnée de l'application d'une charge importante à l'arête de coupe 152, risquant d'entraîner une défaillance prématurée.
On estime qu'un angle d'inclinaison a négatif intermédiaire, compris dans l'intervalle allant de 15 à 60 degrés, assure un compromis satisfaisant entre l'établissement d'une action de coupe efficace de l'élément de coupe 150 et une durée de service satisfaisante. Des angles d'inclinaison compris dans l'intervalle ci-dessus près des arêtes de coupe sont également estimés appropriés pour les formes de réalisation des éléments de coupe décrits ci-dessous.
Comme indiqué ci-dessus, l'élément de coupe de front de taille ou l'élément rapporté 150 englobe un corps 100 et une masse superabrasive 102, avec une surface de jonction 104 entre les deux matériaux ayant une limite exposée 106 sur l'extérieur de l'élément 150. Comme représenté dans la figure 2, la surface de jonction 104 et la limite 106 se situent en outre au-dessous de la surface de front de taille 21g à l'intérieur du corps du dispositif de coupe 21, comme représenté, forcément au-dessus de la DOC de l'élément de coupe 150 contre la paroi latérale 300 du trou de forage.
La figure 3 illustre un deuxième élément de coupe de front de taille 160, l'élément 160 englobant également un corps 100, surmonté par une masse superabrasive 102 ayant une profondeur suffisante pour soutenir les contraintes de compression et de traction appliquées au cours du forage. Contrairement à l'élément 150 de la figure 2, l'élément 160 peut comporter une partie en saillie de la masse superabrasive 102 pratiquement symétrique, avec une surface d'arête biseautée 162, s'étendant complètement autour de l'élément de coupe 160.
La surface d'arête biseautée 162 peut avoir une configuration lisse, continue, en tronc de cône, comme illustrée sur le côté droit de l'élément de coupe 160, ou comprendre une série de méplats biseautés latéralement contigus 164, s'étendant autour de la périphérie de l'élément 160, comme représenté sur le côté gauche, ou comprendre une surface arquée, en partie en tronc de cône 160, et plusieurs méplats dans une partie, une configuration de surface unique et plate/en tronc de cône ayant auparavant été illustrée dans la figure 2. Dans chaque cas, une arête de coupe 182 (faisant face à la direction du déplacement du dispositif de coupe, pratiquement transversale à l'axe de l'élément de coupe 160) se situe au niveau de l'intersection d'une partie de la surface d'arête chanfreinée 162 et de la surface externe plate 166.
Les figures 4,5 et 6 illustrent des modifications d'un premier élément de coupe de taille périphérique 170 selon la présente invention,
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l'élément 170 englobant un corps rapporté 100 supportant une masse superabrasive 102, la surface de jonction 104 et la limite externe 106 entre les deux étant situées au-dessous d'une surface de taille périphérique 21h d'un dispositif de coupe exemplaire 21. Il faut noter que la surface de jonction 104 est enroulée de sorte à établir une aire de surface plus grande en vue d'établir une surface de jonction plus résistante entre le corps rapporté 100 et la masse superabrasive 102.
Les enroulements sont en général sinusoïdaux et peuvent s'étendre à travers la surface de jonction sous forme de nervures et de creux parallèles, les nervures et les creux pouvant aussi s'étendre radialement à partir de la zone centrale de l'élément 170 vers la limite 106. L'extérieur de la masse superabrasive 102 est configurée avec deux méplats opposés et mutuellement convergeants 172, agencés à des angles pratiquement similaires par rapport à l'axe longitudinal de l'élément 170, chaque méplat 172 se terminant au niveau d'une nervure ou d'une surface de crête 174 au niveau de l'extrémité la plus externe de l'élément 170.
La surface de fuite 176 (prise dans la direction du déplacement de l'élément de coupe, axialement vers le centre du trépan, entraîné par un décalage du cône) a une configuration en partie en tronc de cône, la surface d'attaque 178 comportant une face de coupe de cisaillement 180 (appelée ci-dessous et dans les autres formes de réalisation"face de coupe"), avec une arête de coupe 182 au niveau de son extrémité distale ou la plus externe. Le reste de la surface d'attaque 178 peut comprendre deux flancs en partie en tronc de cône 184, agencés des deux côtés de la face de coupe 180. Comme représenté dans les figures 5 et 6, la face de coupe 180 peut avoir différentes configurations, la figure 5 montrant une face de coupe triangulaire 180 et la figure 6 montrant une face de coupe en tronc de cône 180.
Si le mouvement relatif entre un élément de coupe de taille périphérique 170 et la formation est dû à la traînée circonférentielle entraînée par une forme géométrique non parfaite du cône à molettes, les méplats 172 constituent les faces de coupe et les côtés de la nervure ou de la crête 174 constituent les arêtes de coupe 179. Comme la rangée des éléments de coupe de taille périphérique a normalement un diamètre inférieur au diamètre effectif des molettes, elle tend à être entraînée vers l'avant, entraînant un élément de coupe de taille périphérique 170 à couper avec son côté d'attaque par rapport à la rotation du dispositif de coupe.
Les figures 7,8 et 9 illustrent des modifications d'un deuxième élément de coupe de taille périphérique 190 selon la présente invention,
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l'élément de coupe ou l'élément rapporté 190 englobant un corps 100 surmonté par une masse superabrasive 102, ayant une surface externe avec une partie externe généralement hémisphérique 192, s'étendant vers une partie cylindrique 194 de diamètre similaire à celui du corps 100. La partie hémisphérique 192 comporte en outre une seule face de coupe 180 comportant une arête de coupe 182 et faisant face à la direction du déplacement axial vers l'intérieur des éléments de coupe de taille périphérique du dispositif de coupe 21, comme représenté dans la figure 8.
Elle peut toutefois aussi comporter des faces de coupe latérales 184 avec des arêtes de coupe 185, pour assurer une coupe par cisaillement induite par la traînée circonférentielle, comme représenté dans la figure 9. Il est naturellement possible aussi de former une arête de coupe partiellement linéaire et partiellement non linéaire. Comme représenté dans la figure 7, l'arête de coupe 182 peut être agencée au niveau du sommet de l'élément de coupe 190 ou légèrement au-dessous de celui-ci, de sorte que les charges de concassage appliquées à la masse superabrasive 102 sont soutenues en premier lieu par la surface d'extrémité arrondie, plus grande de la partie hémisphérique 192.
Comme représenté dans la figure 7, une surface de jonction enroulée 104 est agencée entre le corps 100 et la masse superabrasive 102, comportant une limite 106, ayant une configuration en onde carrée. Comme dans la forme de réalisation ci-dessus, la surface de jonction peut s'étendre de façon linéaire et parallèle, transversalement à travers l'élément de coupe 190, ou radialement à partir d'un point proche du centre de l'élément 190. Dans cette forme de réalisation, la surface de jonction 104 et la limite 106 se situent toutefois bien au-dessus de la surface 21h de l'élément de coupe 21, mais également au-dessus (à l'extérieur) de la DOC projetée, D, de l'élément de coupe 190 dans la formation.
La figure 10 montre un premier élément de coupe interne 200.
L'élément de coupe 200 englobe une partie en saillie en tronc de cône 202 composée de la masse superabrasive 102, la partie 202 étant contiguë à une partie cylindrique inférieure 204 de diamètre similaire à celui du corps 100. La partie en saillie 202 est recouverte de plusieurs méplats latéralement contigus ou de facettes 206, s'étendant circonférentiellement autour de l'élément 200. Les facettes 206 peuvent être agencées à un angle identique à celui de la paroi latérale de la partie 202 ou peuvent être agencées à des angles supérieurs ou inférieurs, en fonction de l'inclinaison arrière désirée de la coupe du type à cisaillement et des
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exigences concernant des arêtes de coupe durables.
La partie supérieure de l'élément 200 comprend un méplat de support 207, entouré par les facettes 206, établissant (dans toutes les directions du déplacement entre l'élément de coupe 200 et la formation) des faces de coupe 180, définissant des arêtes de coupe 182 au niveau des limites entre les facettes 206 et le méplat 207. On utilise certes le terme"méplat", mais la surface 207 peut présenter aussi une saillie légèrement concave au-dessus des facettes 206.
Il faut noter aussi que la surface de jonction 204 comprend une partie annulaire à extension radiale 208, entourant une saillie centrale 210 du corps 100 dans la masse superabrasive 102. Tout en conservant le matériau superabrasif et en exposant la masse 1023 à des contraintes de compression bénéfiques après le procédé de fabrication à température élevée, résultant de différents coefficients de dilatation thermique (CTE) des deux matériaux, la saillie 210 a malgré tout une épaisseur suffisante de matériau superabrasif, de sorte qu'elle est en mesure de supporter les contraintes de compression et les contraintes de traction de sous-surface.
Il faut noter aussi que la saillie 210 peut être décalée latéralement par rapport à l'axe de l'élément de coupe 200 pour assurer une profondeur additionnelle de la masse superabrasive en direction d'un côté correspondant. La limite 106 entre la masse superabrasive 102 et le corps 100 se situe au-dessus de la surface interne 21i du dispositif de coupe 21, mais également au-dessus (en-dehors) de la DOC prévue, ou du débordement de l'élément de coupe 200 dans la formation au cours du forage. La profondeur totale de la coupe est donc établie par le matériau superabrasif.
Le deuxième élément de coupe interne 220, représenté dans les figures 11 et 12, est similaire à l'élément 200, mais établit une série de méplats ou de facettes à extension longitudinale 222 sur la surface d'attaque de l'élément de coupe 220, prise dans la direction radialement interne et circonférentielle du déplacement de la rangée interne des éléments de coupe 53 sur le dispositif de coupe 21. Chaque facette 222 comprend une partie d'une face de coupe 180 et comporte une arête de coupe 182 au niveau de son extrémité la plus externe, la surface de fuite 224 de l'élément 220 ayant une configuration en tronc de cône et l'extrémité la plus externe de l'élément 220 comprenant un méplat de support 22, destiné à soutenir les charges de compression.
Comme indiqué ci-dessus en référence à la surface 207, la surface 226 peut être vraiment plane ou arrondie. La surface de jonction 104 et la limite 106 sur l'élément de coupe 220, comme représenté,
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se situent dans un seul plan radial et sont agencées au-dessous de la surface interne 21i du dispositif de coupe 21, mais, comme dans le cas de l'élément de coupe 200 de la figure 10, le matériau du corps de l'élément rapporté peut déborder vers l'intérieur de la masse superabrasive.
La figure 13 illustre un autre élément de coupe de taille périphérique 240, similaire à celui des figures 7 à 9, établissant une face de coupe similaire 180, mais comportant une saillie 242 du corps 100 dans la masse superabrasive 102, la saillie 242 englobant une cavité 244 s'étendant dans celle-ci sur le côté d'attaque de l'élément 240, et une surface en partie hémisphérique 246 sur le côté de fuite. Cette configuration assure une partie de masse superabrasive suffisamment épaisse ou profonde 248 sur le côté d'attaque de l'élément 240, soumis à de fortes contraintes, et une partie d'enveloppe superabrasive plus fine 250 sur les côtés hémisphériques 252 et 254 de l'élément 240.
La figure 14 illustre un autre élément de coupe 260, configuré pour l'application de charges de compression élevées et englobant une saillie 262 du corps 100 dans la masse superabrasive 102. Contrairement à la saillie 242, la saillie 262 englobe un évidement annulaire 264 pour établir une profondeur additionnelle de la masse superabrasive le long de la périphérie d'extrémité de la saillie 262 dans la masse superabrasive 102. L'extérieur 266 de la saillie 262 suit la forme externe généralement conique 270 de la masse 102, établissant ainsi une enveloppe relativement plus fine 272 du matériau superabrasif autour de la périphérie latérale de l'élément de coupe 260.
Dans certaines applications, pour établir une profondeur additionnelle du matériau superabrasif, en alignement avec l'axe longitudinal d l'élément de coupe 260, il est possible d'incorporer si nécessaire un évidement axial ou une cavité 268 (représenté par des tirets), s'étendant dans la saillie 262 et rempli d'une partie de la masse superabrasive 102 de l'élément de coupe 260.
La figure 15 illustre un élément de coupe 280 comportant plusieurs chanfreins arqués contigus 284,286 et 288 à des angles croissants par rapport à l'axe longitudinal de l'élément de coupe 280. Le chanfrein le plus bas 284 est contigu à la surface cylindrique 282, immédiatement audessus de la surface de jonction 104 et de la limite 106 par rapport au corps 100. Les angles des chanfreins 284,286 et 288 peuvent être sélectionnés pour se rapprocher ou bien d'un nez"en bille"ou bien d'un nez"en cône"sur l'élément de coupe 280, les parties d'attaque des chanfreins comprenant des surfaces de coupe 180 dans cette forme de
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réalisation omnidirectionnelle de l'invention. Dans cette forme de réalisation, la surface de jonction 104 et la limite 106 se situent sur un seul plan radial.
Les figures 16 et 17 sont respectivement une vue de profil et une vue latérale d'un élément de coupe en forme de ciseau 300 selon l'invention, la masse superabrasive 102 englobant deux méplats à angles convergeants 302 se terminant au niveau de la nervure ou de la crête 304, pratiquement transversale à l'axe longitudinal de l'élément de coupe 300. Dans cette forme de réalisation, les surfaces d'attaque et de fuite 306 et 308 sont aussi pratiquement planes. Le corps 100 déborde dans la masse 102, comme représenté par le numéro de référence 310.
Les figures 18 et 19 sont respectivement une vue de profil et une vue latérale d'un autre élément de coupe en forme de ciseau 320 selon l'invention. L'élément de coupe 320 englobe une surface de jonction enroulée 104 et une limite 106 entre la masse superabrasive 102 et le corps en carbure 100, et il faut noter en outre que la limite et la surface de jonction se situent pratiquement au-dessus de l'enveloppe de l'élément de coupe 21 et également au-dessus de la DOC, D, de l'élément de coupe 320.
Dans ce cas particulier, la surface de jonction 104 est illustrée sous forme d'une série de nervures mutuellement parallèles et de creux interposés, la surface de jonction enroulée 104 pouvant toutefois aussi comprendre des nervures et des creux à extension radiale. La direction des nervures parallèles et des creux pourrait aussi être tournée de 90 degrés (ou d'un angle différent, en fonction des besoins) par rapport à l'orientation illustrée dans cette forme de réalisation ou dans d'autres formes de réalisation de l'élément de coupe selon l'invention, sensible à l'intensité prévue de la charge appliquée, à la direction et à l'application probables de la charge,
l'orientation sélectionnée étant de préférence une orientation dans laquelle les contraintes résiduelles résidant dans la zone de la surface de jonction risquent d'être néfastes en cas d'application d'une charge.
La figure 20 est une vue latérale d'une autre forme de réalisation 340 de l'élément de coupe selon l'invention, dans laquelle la surface de jonction 104 et la limite 106 entre la masse superabrasive 102 et le corps de l'élément d'insertion 100 sont en-dehors de la DOC, D, sur la face d'attaque 342 (comme indiqué par la flèche montrant la direction de rotation du dispositif de coupe 21) et les flancs 344 de l'élément de coupe
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340, et sont dans le cadre de la DOC sur la face de fuite relativement protégée 346.
Les hommes de métier comprendront que la présente invention fournit un élément de coupe, pouvant avoir différentes formes de réalisation, présentant des caractéristiques extrêmement robustes, pouvant être configuré à l'extérieur et à l'intérieur de sorte à résister à des types et des valeurs spécifiques de contraintes auxquelles un élément de coupe particulier peut être exposé en fonction de son emplacement sur un trépan de forage à molettes.
En ce qui concerne l'application de charges aux éléments de coupe et la nature autoportante de la masse superabrasive utilisée, on estime que la profondeur ou l'épaisseur de la masse superabrasive, en ligne avec la charge de compression, devrait représenter au moins environ un quart (1/4) du diamètre de l'élément de coupe, pour assurer que c'est le matériau superabrasif et non pas le carbure ou un autre métal sous-jacent du corps rapporté, qui soutient la charge appliquée à l'élément de coupe, de sorte à empêcher l'affaissement ci-dessus du corps de l'élément d'insertion et l'endommagement résultant de la masse superabrasive.
En d'autres termes, dans la mesure où les caractéristiques d'application de charge d'un élément de coupe particulier peuvent être prévues, la surface de jonction entre le corps de l'élément rapporté et la masse superabrasive peut être conçue de sorte à assurer de préférence la profondeur requise du matériau superabrasif dans les zones à contrainte élevée, l'épaisseur ou la profondeur du matériau superabrasif pouvant être réduite au minimum dans les autres zones.
Globalement, et en référence particulière aux éléments de coupe selon la présente invention, plutôt qu'en référence spécifique aux éléments dont le diamètre et l'emplacement sur un dispositif de coupe peut affecter le paramètre de la profondeur du matériau superabrasif, il peut être en général indiqué de prévoir une profondeur du matériau superabrasif, orientée comme indiqué ci-dessus, supérieure à environ 0,040 pouce. La profondeur peut évidemment être supérieure dans des cas englobant l'application de charges plus importantes et des formations de roche plus dures.
L'étendue de la saillie de la masse superabrasive des éléments de coupe selon l'invention au-dessus de la surface du dispositif de coupe ou de"l'enveloppe de cône", dans le cadre des paramètres de la présente invention, est en outre forcément variable, dépendant au moins en partie de l'emplacement de l'élément de coupe (de front de taille, de taille périphérique ou de rangée interne) et au moins en partie des
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caractéristiques, par exemple de la dureté et de l'abrasion de la formation ou des formations que le trépan doit percer au cours des opérations de forage.
Comme la plupart des trépans ne sont pas destinés à une efficacité maximale spécifique à un seul type de roche, il faudra forcément faire un compromis pour un quelconque trépan et élément de coupe pour assurer une performance appropriée, sinon optimale, au cours du forage d'un intervalle.
Pour les éléments de coupe de front de taille, assurant en continu une coupe par cisaillement par suite de leur position unique sur le dispositif de coupe, la saillie du matériau superabrasif de l'élément de coupe devrait toutefois représenter environ le double de l'espace minimal entre la surface de front de taille et la paroi du trou de forage pour permettre une usure des éléments rapportés de taille périphérique et de l'acier du cône, accroissant la DOC prévue et l'exposition des éléments de coupe de front de taille. Les valeurs typiques d'un espace minimal entre la surface de front de taille et le trou de forage sont comprises dans un intervalle allant d'environ 0,015 à environ 0,06 pouce.
Un intervalle approprié de la saillie de la masse superabrasive pour un élément de taille périphérique est compris entre environ 0, 100 et environ 0,200 pouce, tandis qu'un élément de coupe de rangée interne peut avoir un intervalle de saillie exemplaire typique allant d'environ 0,150 à environ 0,300 pouce. Des variations de la taille du trépan et des caractéristiques de la formation peuvent dans certains cas exiger des intervalles de saillie différents de ceux indiqués ci-dessus, l'invention n'étant donc pas limitée à ceux-ci. Comme indiqué ci-dessus, la saillie du matériau superabrasif ne doit pas forcément s'étendre sur tous les côtés d'un élément rapporté, mais peut être focalisée dans les directions prévues du déplacement de l'élément de coupe, en fonction de l'emplacement de l'élément rapporté spécifique.
Le terme"saillie du matériau superabrasif"n'exige pas forcément que le matériau superabrasif déborde sur l'ensemble de la distance entre l'enveloppe du dispositif de coupe et la pointe externe de l'élément de coupe, à condition que la limite exposée entre le matériau superabrasif et le corps rapporté se situe en-dehors de la DOC.
Au cours des opérations de forage, le trépan 11 est tourné et les dispositifs de coupe 21,23, 25 roulent et glissent au-dessus du fond du trou de forage, les éléments de coupe selon l'invention décrits ci-dessus concassant, entaillant et raclant ou cisaillant le matériau de la formation. Lorsque les éléments de coupe s'engagent dans la formation, les faces de coupe superabrasives, par exemple les faces 154 et 180, ainsi que
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les arêtes de coupe, par exemple les arêtes de coupe 52 et 182 sur le rangées de front de taille et de taille périphérique raclent et cisaillent le matériau de la formation sur la paroi latérale et dans le coin du trou de forage.
Les masses superabrasives 102 des éléments de coupe ont une profondeur ou épaisseur suffisante, de préférence au moins dans une direction de l'application prévue de la charge, pour soutenir ces charges de manière autoportante, de sorte que le matériau sous-jacent des corps rapportés ne s'affaisse pas lors de l'application d'une charge. Les surfaces externes superabrasives des éléments de coupe selon l'invention assurent en outre une protection élevée contre l'usure par abrasion et érosion, allongeant la durée de vie utile des éléments de coupe. Les corps des éléments de coupe composés de carbure métallique résistant à la rupture ont à leur tour une résistance et une rigidité suffisantes pour fixer les éléments de coupe aux dispositifs de coupe lors des opérations d'application de charge et de forage cycliques, sans perte, fissuration ou rupture.
Les éléments de coupe sur les rangées internes des dispositifs de coupe induisent en outre une rupture et une défaillance par cisaillement et concassage, les faces de coupe 180 et les arêtes de coupe 182 cisaillant le matériau de la formation, tandis que la masse profonde, autoportante du matériau superabrasif soutient les charges de compression appliquées aux éléments de coupe sans affaissement, le carbure métallique sous-jacent des corps rapportés fixant les éléments de coupe aux dispositifs de coupe étant résistant à une perte prématurée ainsi qu'à une fissuration ou une rupture.
On comprendra en outre que l'i ntégri té de 1 a masse superabras ive, par suite de sa profondeur ou de son épaisseur, et de la nature autoportante qui en résulte (au moins dans les directions d'application des charges maximales) empêche son écaillage, sa rupture ou une élimination du corps rapporté, contrairement aux revêtements ou gaines superabrasifs relativement fins des éléments rapportés de la technique antérieure, exposés à une contrainte de réaction par suite d'un affaissement localisé du carbure au-dessous d'une partie du revêtement ou de la gaine. Même en présence de contraintes de contact, supérieures à la limite d'élasticité du matériau du corps (typiquement du carbure de tungstène, comme indiqué ci-dessus), la masse superabrasive maintiendra ainsi son intégrité.
La présente invention a certes été décrite en référence à certaines formes de réalisation préférées et illustrées, mais elle n'y est pas limitée, et les hommes de métier comprendront que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux formes de réalisation décrites,
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des combinaisons de différentes caractéristiques de différentes formes de réalisation pouvant aussi être faites, sans se départir de l'objectif de l'invention, défini dans les revendications.