La présente invention est relative à un trépan de
forage diamanté plat, garni d'éléments de coupe éventuellement synthétiques, disposés en saillie par rapport
à des zones de drainage formées par des portions de surface délimitant le corps de l'outil proprement dit et
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ronds, des diamants naturels cubiques, des distants synthétiques sertis, qu'ils soient mono- ou polycr istallins et quelle que soit leur forme ou de plaquettes
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Les outils plats trouvent leur principale application dans le forage de terrains tendre.-; ou mi-durs, tels
que les argiles et les {Très poreux. Ils sont également
utilisas dans les terrains constitués de couches alternées de terrains très tendres et mi-durs. De tels
terrains nécessitent une hydraulique très étudiée afin
d'éviter d'une part, le rebroyage des déchets de coupe
et d'autre part, le colmatage de l'outil.
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de forage rotatif garni de pierres serties. Ces diamants
sont disposés à la surface de l'outil en rangées sensiblement radiales; ils sont sertis dans la partie du corps
d'outil constitué de protubérances d'attaque en saillie
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rances serties et des évidements réservés au drainage du fluide de refroidissement ainsi que la géométrie de ces zones est choisie de manière à ce que le refroidissement du diamant et l'évacuation des débris de roche soient optimaux. L'amenée du fluide de forage est réalisé par un large canal dans la zone centrale de l'outil; ce canal n'est pas spécialement profilé et le fluide de forage aboutissant à la surface de l'outil entre en contact avec la roche avec une vitesse faible et
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plus ou moins radiaux, la chute de pression globale à l'outil est généralement fe.ible : une dizaine de bars.
Ces outils à pierres serties conventionnels permettent, selon la qualité et la grosseur des pierres, de
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ra.ins tendres et agglutinants, ils ne réalisent que des performances médiocres et se colmatent rapidement.
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à plaquettes réparties sur toute la surface de l'outil.
Les plaquettes diamantées sent généralement constituées de diamants polycristallins répartis isolément sur toute la surface de l'outil.
Ces outils sont largement répandus sous deux fermes préférées : les outils en carbone infiltré et les outils en acier. Les deux formes d'outils se distinguent principalement par l'ordre chronologique des diverses étapes de préparation.
D'une manière générale, les plaquettes diamantées sont constituées d'une couche de diamant polycristallin rapportée sur un substrat de carbure de tungstène par frittage.
Dans les outils en carbure infiltré, les plaquettes diamantées ne sont fixées sur l'outil qu'en fin d'opération, après démoulage de l'outil. Elles sont solidarisées par brasage sur des supports de carbure de tungstène préalablement enserrés dans le corps de l'outil au cours de sa fabrication par infiltration.
Par contre, dans les outils en acier, les plaquettes diamantées sont brasées sur un support de carbure avant Que ceux-ci ne soient fixés sur le corps de l'outil.
La répartition des plaquettes répond à des critères bien précis de densité radiale en fonction de la distance au centre de l'outil et de la répartition angulaire assurant un bon équilibrage mécanique de l'outil de forage. A cette répartition optimale de l'alimentation en fluide de forage qui, dans ce cas, est constituée de plusieurs conduits ménagés dans la masse de manière à être répartis autour de l'axe de rotation et aboutissant
à la surface de l'outil en des endroits d'éloignement différents de l'axe susdit; ces conditions sont en général
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mettant de créer des jets puissants susceptibles d'éviter le colmatage et éventuellement de contribuer à la destruction de la roche.
Le? ajutages d'injection sont réalisés en un matériau présentant une haute résistance à l'usure, généralement du carbure de tungstène fritté. Le fluide de forage présent dans la cavité intérieure de l'citi�. et provenant du train de tige, en traversant l'ajutage, est soumis à une accélération brutale avec un rendement hydraulique élevé, la différence de pression entre l'amont et l'aval du Jet nozzle peut atteindre 50 à
100 bars, ce qui correspond à des vitesses linéaires
à l'orifice de l'ordre de grandeur de 100 ne très par seconde.
Quelle que soit sa forme extérieure, le corps de l'outil de chacun des deux types peut être réalisé indifféremment en acier ou en carbure infiltré.
Les deux types d'outils réalisent d'excellentes performances dans les terrains tendres et, en particulier, dans les terrains très tendres et agglutinants. On constate toutefois que la vitesse de pénétration diminue très rapidement lorsqu'on aborde des terrains de dureté plus élevée, tels des terrains de dureté moyenne comme par exemple le calcaire et la dolomie. On constate également un risque de plus en plus grand de colmatage au fur et à mesure que le diamètre de l'outil augmente et ce, en raison de la difficulté croissante d'éliminer les débris de coupe.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients susdits. Elle est relative à un trépan de forage diamanté plat, garni d'éléments de coupe éventuellement synthétiques, disposés en saillie par rapport à des
zones de drainage formées par des portions de surface délimitant le corps de l'outil proprement dit et muni d'au moins un orifice de lavage alimenté en fluide de forage, essentiellement caractérisé en ce que les éléments de coupe sont groupés sur des Ilots répartis sur toute la surface de l'outil et séparés les uns des autres par les zones de drainage susdites pourvues de conduits garnis à leur extrémité d'un ajutage d'injection.
On augmente encore les performances de l'outil dans les terrains de dureté plus élevée, en remplaçant les plaquettes diamantées polycristallines par des
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en saillie de 1 à 10 mm par rapport au corps de l'outil proprement dit.
Suivant une particularité de l'invention, les pierres sont disposées en Ilots isolés présentant une largeur de coupe de 10 à 20 mm.
L'embase sertie des éléments de coupe est de préfé-
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la surface du corps ou l'outil proprement dit.
Dans une forme de réalisation particulière, on évite le colmatage des outils de grand diamètre, en disposant les plaquettes diamantées polycristallines sur des Ilots en saillie de 1 à 40 mm par rapport au corps de l'outil proprement dit.
Suivant une particularité de l'invention, les plaquettes diamantées polycristallines sont disposées en Ilots isolée présentant une largeur de coupe de 27 à
40 mm et l'embase sertie des plots-supports est en saillie d'environ 15 mm par rapport au niveau de la surface du corps de l'outil proprement dit.
D'autres particularités et détails de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de l'outil
de forage suivant l'invention à éléments de coupe et jets répartis.
Dans ces dessins : - la figure 1 montre en perspective, un outil de forage plat à pierres serties disposées en saillie sur des protubérances réparties suivant l'invention, sur toute la surface de l'outil;
- les figures 2 et 3 sont des vues de plan et de bout de l'outil de forage montré à la figure 1;
- les figures 4 à 9 montrent en détail une protubérance garnie de trois pierres cubiques serties, vue respectivement en bout, en plan et en élévation latérale;
- les figures 10 à 15 illustrent en détail une protubérance garnis de pierres prismatiques triangulaires;
- la figure 16 montre en perspective, un outil de forage plat à plaquettes diamantées polycristallines disposées en saillie sur des protubérances;
- les figures 17 et 18 sont des vues de bout et de plan de l'outil de forage montré à la figure 4;
- les figures 19 à 20 illustrent en détail une protubérance rance garnie de plaquettes polycristallines, et
- la figure 21 montre une forme de répartition radiale des Ilots et de leurs éléments de coupe.
Dans ces figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
De nombreuses publications récentes montrent l'importance de l'hydraulique dans le comportement des
outils de forage pour en justifier les performances.
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relief des outils équipés de ces jets. Les éléments
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compact ".
En particulier, l'ouvrage de synthèse intitulé
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comptant 698 pages et édité en 1980 par The Petroleum Company, décrit divers aspects des effets jets en forage pétrolier.
L'article de Dave GLOWKA " Optimalisation of Bit
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tories paru dans la revue technique ''Society of Petroleum Engineers Journal'' de février 1983, analyse le comportement des outils plats à plaquettes PDC munis d'orifices de lavage non munis d'ajutages d'injection.
En fait, il existe déjà des outils plats à jets, tels que ceux décrits dans le brevet américain No.
4 323 130, les éléments coupants sont cependant fixés au niveau de la surface inférieure plane de la matrice de l'outil.
Ces outils à jets suivant l'invention, désignés dans leur ensemble par la notation de référence 1, se distinguent d'autres outils de forage par l'ensemble des éléments suivants :
- un profil plutôt plat muni éventuellement d'un évidement conique 2;
- une répartition des éléments de coupe 3 sur toute la <EMI ID=17.1>
ou "ailes", mais plutôt en surélévation sur dos Ilots 4, séparés entre eux par des gorges 5 dans le but de favoriser leur refroidissement et l'élimination de débris de roche;
- une alimentation en fluide de forage au travers de conduits 6 aboutissant à la surface de l'outil et en général garnis à leur extrémité du ''jet nozzle" 7, c'est-à-dire un ajutage constitué d'un matériau offrant une résistance particulière à l'érosion et qui, par son profil bien étudié, permet la mise en vitesse du fluide de forage avec un bon rendement hydraulique.
Les canaux peuvent aboutir dans les canaux de rinçage
ou encore dans les Ilots.
La vitesse du fluide de forage atteint à la sortie
du jet, de préférence, un ordre de grandeur de 100 m/s.
Les fortes turbulences ainsi obtenues favorisent l'élimination des débris de roches et contribuent à empêcher le rebroyage des débris qui réduit à la fois la vitesse de pénétration de l'outil et la longévité de l'outil.
Elles empochent le colmatage de l'outil dans les terrains très tendres et collants; on estime également que dans les terrains très tendres, le fluide de forage entrant à grande vitesse en contact avec la roche participe à la destruction de celle-ci.
Comme illustré aux figures 1 à 3, dans un outil de forage plat à pierres serties, chaque Ilot 4 comporte plu-
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protubérance constituée d'une portion de surface 9 en saillie pnr rapport au niveau de la surface externe du corps de l'outil.
Dans ce cas, la portion delà surface 9 sur laquelle sont serties les pierres, est en saillie de quelques millimètres environ par rapport au corps de l'outil proprement dit 10 , plus particulièrement de 1 à 10 mm.
Trois pierres cubiques 11 de quatre millimètres environ, sont serties sur deux rangées de manière à assurer un recouvrement complet par Ilot. La saillie émerge avantageusement d'environ 7 mm de la surface du corps de l'outil.
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de coupe suffisante, par exemple de l'ordre de grandeur de la largeur de coupe d'une plaquette d'un outil plat
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de front sont suivies d'une troisième pierre 11" disposée entre les sillages des deux premières.
Les figures 4 à 9 illustrent sous divers angles, deux modes de sertissage d'un élément de coupe cubique 12.
On retrouve une vue de bout à la figure 4, une vue
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plane.
Le sens de défilement de la roche est indiqué dans ces trois cas par la flèche (X), les figures 4 à 5 montrent que l'élément de coupe cubique 12 peut Être posi-
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roche. L'élément pénétrant le plus profondément dans
la roche est le coin 14 dans la figure 4 et l'arête 15 dans la figure 5. Comme illustré aux figuras 7 à 9, l'élément de coupe cuoique 12 peut aussi être positionné
<EMI ID=23.1> cas, l'élément pénétrant le plus profondément dans la roche est obligatoirement le coin 17.
Dans chacun des exemples des figures 4 à 9, l'élément de coupe est positionné de manière à présenter un
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D'autres éléments de coupe peuvent également être mis en oeuvre. Ainsi, les figures 10 à 15 montrent sous divers angles, le sertissage de pièces prismatiques triangulaires 18.
Le sens de défilement est celui de la flèche (X). Les éléments de coupe prismatiques triangulaires 18 présentent une face plane 13 à la roche, aux figures 10 à 12. Ils sont donc sertis dans les Ilots le long d'une ar�te 15. Le sertissage est dans ce cas avantageusement consolidé par des contreforts latéraux de brasure 19.
Les éléments de coupe prismatiques triangulaires peuvent être aussi positionnés de manière à présenter une arête vive à la roche. La face plane de base 20 est inclinée de manière à permettre de créer l'angle de dépouille souhaité.
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tion possible d'îlots 4 comportant des plaquettes diamantées polycristallines 21 brasées sur des plots de carbure 22 sertis dans le corps 10 de l'outil de forage 1.
La surface 9 sur laquelle sont serties les plaquettes diamantées 21 est en saillie de 1 à 40 mm par rapport aux autres positions de surface de l'outil proprement dit.
Trois plaquettes diamantées traditionnelles 21 ,
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un Ilot 4 émergeant avantageusement de 15 mm de la surface du corps 10 de l'outil.
La disposition des plaquettes 21 sur chaque Ilot 4 et la répartition des Ilots sont choisies de manière à assurer un recouvrement complet de l'Ilot.
Comme illustré aux figures 19 et 20, on plaça par exemple deux plaquettes de front, afin d'assurer une
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montées de front sont suivies d'une troisième plaquette 21" disposée entre les sillages des deux premières.
La fabrication d'un trépan de forage en carbure infiltré à pierres naturelles ou synthétiques serties
dans des protubérances reparties suivant l'invention
sur toute la surface, ou à plaquettes diamantées disposées en saillie, se réalise suivant un procédé connu
en soi, mais de distinguant toutefois par quelques particularités.
Dans un moule de graphite usiné 18 destiné à former le corps de l'outil, sont cénagés des évidements ellipsoïdaux 19 par fraisage, en particulier dans le fond du moule 18.
La calotte inférieure 20 du moule 18 est amovible. En retirant cette calotte inférieure 20, on enlève une
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la calotte inférieure 20 par une calotte à face plane
21, de manière à obtenir des évidements 19 à fond plat qui donnent naissance au moment du moulage à un corps d'outil à protubérances tronquées.
Dans le fond plat des évidements, on aménage par grattage manuel ou par fraisage, des logements destinés à recevoir soit des éléments de coupe constitués de pierres naturelles ou synthétiques, soit encore plotssupports de carbure de tungstène destinés à recevoir des plaquettes diamantées que l'on fixe à l'aide de colle sous l'angle souhaité.
Après avoir rempli le moule de poudre de carbure, on réalise l'infiltration par une méthode connue en soi.
Après démoulage de l'outil, on brase éventuellement des plaquettes diamantées sur les plots-supports. s'il s'agit d'obtenir des outils de ce type.
Les figures 19 et 20 sont des vues de bout, de plan, détaillées en perspective et d'une forme de fixation par brasage de plaquettes diamantées 21 sur une protubérance.
<EMI ID=29.1> possible des éléments de coupe. Les éléments et les Ilots 4 sont disposés à des distances différentes de l'axe de rotation de l'outil. Le décalage radial entre deux plots successifs est tel que l'élément de coupe situé à l'extérieur d'un Ilot i est confondu en projection avec l'élément de coupe situé au centre sur l'îlot i + 1 et également.confondu en projection avec l'élément
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donc, chaque sillage est parcouru trois fois consécuti-
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On peut évidemment doubler à volonté la densité des éléments de coupe en multipliant le nombre d'Ilots; en particulier aux endroits particulièrement sollicités.
Les éléments de coupe sont Groupes par trois, dont deux de front suivi? d'un troisième élément disposé entre les sillage: des deux premiers éléments de coupe.
Dans ce cas, les ajutages sont tous ménagés dans
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cacement les éléments de coupe et à éliminer les débris de coupe vers les échancrures latérales, découpées dans la face latérale du trépan.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée
à la forme de réalisation décrite ci-dessus et que de
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tition de ces derniers, ainsi qu'au nombre et à la disposition des ajutage sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Ainsi le corps (10) du trépan 1 peut présenter des
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REVENDICATIONS
1. Trépan de forage diamanté plat, garni d'éléments
de coupe éventuellement synthétiques, disposés en saillie
par rapport à des zones de drainage formées par des
portions de surface délimitant le corps de l'outil proprement dit et muni d'au moins un orifice de lavage
alimenté en fluide de forage, caractérisé en ce que les
éléments de coupe (8) sont groupés sur des Ilots répartis
sur toute la surface de l'outil et séparés les uns des
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chaque orifice de lavage est garni à son extrémité d'un
ajutage d'injection (7).