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Outil pour le forage du sol
La présente invention se rapporte d'une façon géné- rale aux outils pour le forage du sol. Elle concerne plus spécialement les outils massifs, attaquant le sol par abrasion ou par l'effet de coupe de particules, de grains, de pas- tilles ou d'éléments durs analogues, ainsi que les portions d'outils combinés travaillant à la manière d'éléments massifs.
Dans les outils de ce type, les particules, grains, pastilles ou éléments analogues réalisant l'attaque du sol sont distribués en surface ou en profondeur, dans des zones ou plages d'attaque épousant en général des surfaces de révolution concentriques à l'axe de l'outil. La distribution .,
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en surface est généralement la plus utilisée.
Les plage* sont alors formées par une faible épaisseur de attitré active dure, qui est par exemple sertie en surface, dans le cas du diamant, ou qui forme un revêtement continu ou discontinu, dans le cas d'un carbure dur tel que le oarbure de tungstène ou de bore. la diatribution en profondeur est obtenue par la for- motion de couches de matière dure d'une certaine épisseur, constituée@ par exemple par des conorétions diannantées, des agglomérés de carbures, des pastilles dures, etc.
la rentabilité d'un outil de forage du sol est déter- minée essentiellement par deux facteurs, à savoir 1 la vitesse d'avancement de cet outil, et le métrage total foré par l'outil nazis remontre. normalement, dans les outils massifs exietants, les conditions de réalisation de ces deux désinlerate s'opposent. En effet, une vitesse d'avancement élevée de l'outil exige une surface de contact limitée entre l'outil et le sol et une pression spécifique élevée, ainsi que dee éléments d'attaque de grand oalibre. Dans le cas d'une distribution en surface notamment, l'obtention d'une faible surface de contact abaisse la quantité de matière dure active présente sur l'outil, down le métrage foré sans remontée de celui-ci.
Une augmentation de cette quantité de matière active ne peut être obtenue que par un accroissement de la surface de travail, qui occupe souvent une partie importante de la section à forer. Il en résulta alors une augmentation de la surface de contact et une réduction de la vitesse d'avanoement. Une amélioration de la durée de l'outil ne pouvait être obtenue jusqu'ici dans ce domaine que par un accroissement de 1'épaisseur des oouches de matière active, ce qui est une solution souvent coûteuse.
L'un des but3 de l'invention est de permettre la réa- lisation d'un outil du type considéré pour le forage du sol qui ne présente pas les inconvénients précités, c'est-à-dire qui
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fournisse une vitesse d'avancement élevée grâce à une faible surface de contact avec le sol, en même tempe qu'un métrage important sans remontée, donc un rendement meilleur, sana qu'il soit nécessaire de faire appel à une augmentation excessive de l'épaisseur de matière active.
L'invention est matérialisée dans un outil massif pour le forage du sol, dane lequel certaines au moine des sur- face@ de travail sont constituées par des plages élémentaires distinctes échelonnées axialement par rapport à l'outil, dis- tribuéee de façon telle que la ou les plages élémentaires se trouvant dans un plan de travail quelconque de l'outil, dans sa zone d'usure admissible, balaient, lors de la rota- tion de cet outil autour de son axe, la totalité de la section à forer, sauf éventuellement une partie centrale.
Grâce à cet échelonnement axial des plages élémen- taires, il est possible d'obtenir une surface momentanée de contact avec le sol suffisamment faible pour pouvoir travail- ler avec une pression spécifique élevée, fournissant une gran- de vitesse d'avancement, tout en disposant d'un outil capable de forer un métrage important sans remontée par suite de l'effet de relais obtenu, lors du travail, entre les plages élémentaires distinctes successives échelonnées suivant son axe. On réalise donc de cette manière un compromis optimum entre les deux facteurs essentiels qui caractérisent la rentabilité d'un outil de forage de ce type. Les plages élé- mentaires ont alors sur chaque rayon une largeur, mesurée selon la circonférence, qui correspond à la pression spéci- fique que l'on veut obtenir sur le front de taille.
Les différentes plages élémentaires peuvent avoir la forme de secteurs délimités par des rayons, par des bords en spirale, ou selon tout autre tracé.
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Suivant un mode de réalisation possible, l'outil peut comporter des zones d'attaque subdivisées en plages élé- mentaires distinctes échelonnées dans le sens axial comme indiqué précédemment, la face avant d'une plage se trouvant dans un plan qui coïncide sensiblement avec la faoe arrière de la plage qui la précède immédiatement dans l'échelonnement axial, de telle sorte qu'au moment où la matière active d'une plage élémentaire est usée, une autre plage se trouve automa- tiquement en position de travail. Suivant une variante possi- ble, un certain chevauchement axial est prévu entre des pla- ges successives aans l'échelonnement précité.
Ainsi, dans le cas de plages diamantées, par exemple, les arêtes avant d'une plage peuvent se trouver dane un plan tel qu'elles viennent en contact avec le front de taille au moment où les parti- cules de diament de la plage immédiatement précédente dans l'échelonnement axial sont émoussées et usées par exemple à 50 %, l'effet le relais précité étant alors fourni par les particules de cette nouvelle plage.
Les plages élémentaires successives de cet échelonne- ment axial peuvent avoir mime suface ou de- surfaces diffé- rentes, par exemple croissantes. Des plages de mime surface peuvent être utilisées par exemple en terrain homogène, afin d'obteir une surface de contact sensiblement constante avec le sol pour pouvoir travailler avec la mine pression spécifi- que. Au contraire, si l'on désire tenir compte de la dureté généralement croissante des couches de terrain avec la pro- fondeur, on donne alors aux plages des surfaces croissante@.
Suivant une autre particularité encore, les plages successi- ver de l'échelonnement axial peuvent être formées par la mime matière ou par des matières de suretés différentes, par exemple croissantes. C'est sinsi qui'on peut utiliser
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pour certaines plages du carbure de tungstène puis, pour les plages suivantes dans l'échelonnement axial, du diamant dont le grain peut aller par exemple en diminuant de grosseur.
Suivant une autre particularité de l'invention, on peut calculer les épaisseurs des plages élémentaires succes- sives de l'échelonnement axial de façon telle qu'une plage sui- vante de cet échelonnement entre en action après un certain degré d'usure de la plage immédiatement précédente, le forage se poursuivant alors par l'action simultanée de ces deux plages successives, une troisième plage pouvant ensuite s'ajou ter éventuellement aux précédentes, et ainsi de suite, en combinant de toute manière désirée les phénomènes d'adjonc- tion et de substitution des plages d'usure.
Il est possible, de cette manière, d'augmenter la surface de contact avec le sol et de faire varier en conséquence la pression spéoi- fique de travail d'une façon exactement déterminée, en fonction de la dureté probable des couches de terrain traversées lors du forage, ce résultat étant atteint d'une manière différente de oelle mentionnée précédemment, ooneis- tant à prévoir dans l'échelonnement axial des plages de surfaces croissantes se relayant l'une l'autre. Dans le cas d'une adjonction progressive do plages de travail ou d'usure, la ou les plages avant de 1'échelonnement axial sont des plages profondes, par exemple du type. concrétion, et la nature de la matière clive qui les forte peut varier si désiré dans leur épaisseur.
Des plages démentaires voisines de l' outil peuvent être ou non séparées par des canaux d'irrigation. Si l'usure axiale admiseible d'un jeu de plage. élémentaires distinctes d'un même échelonnement axial $*parées par des canaux est telle que la profondeur désirable pour ces canaux aoit
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dépassée, on peut prévoir, vers la partie inférieure desdits canaux, une obturation qui, quand un certain degré d'usure est atteint, est supprimée automatiquement. Ce résultat peut être atteint en prévoyant dans ces canaux des éléments d'obturation pouvant être arrachés ou désagrégés facilement quand ce degré d'usure est atteint, par exemple par contact - se le front de taille.
Les plages élémentaires de l'outil ne sont pas né- cessairement situées dans des plans perpendiculaires à son axe. Elles peuvent présenter également une certaine inclinai- son circonférentielle dans le sens d'avance de l'outil, afin que leur surface épouse sensiblement un profil hélicoïdal.
A la limite, ces plages élémentaires peuvent, dans une même zone d'usure, être immédiatement juxtaposées, afin de former une surface d'attaque unique inclinée dans le sens oirconfé- rentiel. L'usure progressive de cette surface provoque alors avec le tempe une augmentation de la surface de contact, qui t'adapte automatiquement à la dureté croissante des couche* traversées.
La description qui va suivre,9 faite en regard des dessins schématiques annexés, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'invention. la fig. 1 est une vue on perspective plongeante d'un de de réalisation possible d'outil muait pour le forage du sol suivent l'invention, la surface d'attaque de cet outil ayant été représentés ici dirigée vers le haut pour mieur montrer ses particularités constructives. la fig. 2 est une vue on coup* schématique par la ligne II-II en fig.
1, après développement. les fig. 3 et 4 sont des vue* en eoupe développée@ analogues correspondant à des variantes,
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La fige OR+ une .qthtmn-hi nue en perspective d'une portion de couronne carottière établie suivant l'inven- tion.
La fig. 6 est une vue schématique de détail montrant 1 obturation d'un canal d'irrigation.
La fig. 7 est une vue en coupe par la ligne VII-VII en fig. 6.
La fig. 8 est une vue schématique correspondant à une autre variante.
L'outil représenté sur la fig. 1 est un outil massif comprenant un corps 1 terminé par un cône fileté de montage 2. Ce corps 1 a une forme cylindrique creuse, ménageant une chambre intérieure l dans laquelle peut être monté si désiré un dispositif de désagrégation du type décrit dans le brevet français déposé au même nom le 22 décembre 1958 : "outil pour le forage du sol" ou dans son addition déposée le 25 février 1959, afin de rompre et de désagréger la carotte formée, lors du forage, par la cheminée 4 ménagée entre les ailes 5 qui constituent les éléments de travail de l'outil.
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Ces ailes coiffant le bord du corps cylindriq-=e 1 de façon en soi usuelle et présentent des surfaces d'alésage extérieu- res c7l1D4r1qu.8 i.
Suivant l'invention, les zones de ces ailes 1 desti- nées à attaquer le front de taille sont subdivisées en plages
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elémantairwa distinctes .1eq et 2. déoa1i' ou échelonnées aana le 888. axial de l'outil, comme Te? est nettement visible sur les fige 1 et 2. Ces plages se présentent ici
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que la face arrière de la plage qui la précède innédiatement dane l'échelonnement axial.
C'est ainsi que (comte visible sur la fig. 2).la face avant de la plage 8 se trouve sensible- ment dans le plan de la face arrière de la plage 7, tandis que la face avant de la plage 2 se trouve dans le plan de la faoe arrière de la plage 8.
Le mode d'action d'un tel outil se comprend aisément ! à l'examen du dessin, Quand l'outil est neuf, il attaquo la sol par les plages élémentaires avant Une foie oes plages 7 usées, le métal qui forme l'aile a'use rapidement, et le front d'attaque de la plage suivante. 8 est dégagé, de sorte que le forage se poursuit par cette plage 8, par un effet d relais. Une fois la plage 8 usée, la plage suivante 1 de l'échelonnement s'y substitue. On a indiqué par une flèche sur la fig. 2 le sens de rotation de l'outil.
Chaque plage élémentaire 7,8,9 a une surface suffisam- ment faible pour pouvoir obtenir, lors du travail, une pression spécifique, donc une vitesse d' avancement, relativement élevée, Par ailleurs, l'effet de relais obtenu par substitution des plages d'.un même échelonnement axial permet de forer, à l'aide de l'outil, un métrage relativement important, donc d'obtenir en définitive une rentabilité satisfaisante pour cet outil.
Suivant le mode de réalisation représenté sur les fig. 1 et 2, les plages d'usure 1, 8,9 sont peu épaisses, et elles peuvent être formées par la même matière active, par exemple par du diamant. Elles ont également même surface.
On a montré sur la fig. 3 une variante de réalisation dans laquelle chaque zone d'attaque de l'outil comprend trois plages élémentaires 11, 12, 13 constituées par des couches diamantées. Le sens de rotation de l'outil est indiqué par une flèche sur la fig. 3. Dans ce cas particulier, le décalage
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axial entre les plages élémentaires 11, 12 13 d'un mime échelonnement est tel que les arêtes avant de@ graine ou particules de diamant d'ue plage viennent en contact avec le front de taille lorsque les graine ou particules de dia- mant de la plage immédiatement précédente dents l'échelonne- ment axial sont usées sensiblement à 50 %, comme indiqué par des lignes en pointillé sur cette fig. 3.
On notera ioi que la plage avant 11 a une largeur plue faible que celle des plages suivantes 12, 13.
On a montré sur la fig. 4 une variante de réalisation de zone d'attaque formée de plages élémentaires distinctes suivant l'invention. loi encore, le sens de rotation de l'outil est indiqué par une flèche. Dans le sae présent, cette zone d'attaque est formée par trois plages élémentaires 14, 15, 16, dont les faces avant sont échelonnées axialement de la manière indiquée. les épaisseurs des couches formant ces plages vont ici en décroissant de la plage 14 vers la plage 16, la plage avant 14 étant une plage profonde. on comprend aisément, à l'examen de la fig. 4, qu'après un certain degré d'usure de la plage 14, la plage suivante 15 de l'échelonnement se combine à la précédente, ce qui augmente ainsi la surface d'attaque de l'outil.
Après un certain degré d'usure encore, la plage 16 se combine aux précédentes, de sorte qu'on obtient ainsi un accroissement de la surface d'attaque qui permet de tenir compte -d'une augmentation de dureté des couches de terrain traversées lors du forage. On a représenté schématiquement sur la fig. 4 des plages 14, 15, 16 diamantées. On remarquera que la grosseur des grains ou particules de diamant va en diminuant de la face avant de la plage 14 vers la face arrière des trois plages conjuguées, anin de tenir compte ici encore de
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l'augmentation de dureté ou d'abrasivité du sol.
On a représenté achématiquement sur la fige , une portion de oouronne carottière établie suivant l'invention, le sens de rotation de l'outil étant dans ce ces encore indique par une flèche. Le référence Z désigne une zone d'attaque de l'outil, qui est formée de plages élémentaires 17, 18, 19 et 20, échelonnées axialement suivant l'invention afin de ee substituer l'une à l'autre par un effet de relaie au coure de l'usure de l'outil. On remarquera ici que les plages élémentaires sont disposée@ en alternance et qu'allée sont en outre groupies deux' deux, les paires de plages 17. 19 et 18, 20 ainei formées étant séparées par des canaux d'irrigation 21. Le mode de travail de cet outil est analo- gue à celui de l'outil représenté sur les fig. 2 et 3.
On a montré sur lee fig. 6 et 7 une portion de zone d'attaque comprenant des plagea élémentaires 22, 23 échelon- nées dans le sens axial suivant l'invention et séparées dans le cas présent par un canal d'irrigation 24, le sens d'écoule- ment du fluide de circulation étant indiqué par une flèche sur la fig. 7. Le canal 24 a une grande profondeur, afin de tenir compte de la limite d'usure admissible de l'échelonne- ment axial formant l'outil. Lorsque cet outil est neuf, il peut être désirable de réduire cette profondeur. A cet effet, il est prévu une pastille d'obturation 25 logée dans la partie inférieure de ce canal et rotenue en place par un sertissage indiqué en 26.
Oe sertissage et la pastille sont étu- diés de manière à pouvoir titre arrachés aisément lorsque, au cours de l'usure de l'outil, la partie 26 vient en contact avec le sol, ce qui dégage alors le fond du canal d'irrigation.
La pastille peut être désagrégée et évacuée avec la boue Je forage. Si d6ciré, cette pastille peut être étudiée de façon
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telle que ses débris puissent être détectés à leur arrivée au jour, par exemple par suite de leur couleur ou par les radiations qui en émanent (repérage nucléaire). L'ouvrier foreur est ainsi averti à ce moment du degré d'usure de l'outil.
On a représenté schématiquement sur la fig. 8, en coupe développée, une zone d'attaque de l'outil que l'on pourra supposer être constituée par la réunion de plages élémentaires dont les faces sont inclinées circonférentiel- lement dans le sens d'avance de l'outil, ce qui constitue une solution limite de l'invention. On voit, dans la partie supérieure de la fig. 8, que cette zone présente une épaisseur de matière d'usure décroissant dans le sens cir- conférentiel.
On a montr4 sur cette fig. 8 quatre phases successi- ves correspondant a des usures différentes de cette zone, afin de mettre en évidence l'évolution de sa face d'attaque sous l'effet d'une abrasion progressive. Sur cette figure, OX désigne la plage d'attaque de l'outil et 00' le développe- ment d'une section cylindrique,(3 désignant l'angle d'attaque de l'outil neuf. La modification progressive.de la couche de matière active au fur nt à mesure du travail est indiquée ici dans un terrain supposé homogène et avec un poids oonstant sur l'outil.
On voit que les angles successifa formés !:la:!' le front de taille avec l'horizontale vont en diminuant et, à mesure que la plage a, a', a" s'élargit, cette zone d'attaque s'adapte automa- tiquement aux conditions de forage en terrain plus dur, avec une vitesse d'avancement plus faible.
Les détails de réalisation peuvent être modifiés, dans le domaine ds équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention.