BE1010515A5

BE1010515A5 - Trepan de forage comportant des taillants a pellicule de diamant.

Info

Publication number: BE1010515A5
Application number: BE9300735A
Authority: BE
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1992-07-16
Filing date: 1993-07-14
Publication date: 1998-10-06
Also published as: GB9313954D0; GB2268768B; GB2268768A; US5337844A

Abstract

Une couche de diamant est brasée à un corps de trépan de forage pour former un taillant sur celui-ci. Dans un trépan infiltré, un élément de coupe CVD formé par dépôt chimique en phase vapeur est placé dans un moule à trépan qui est ensuite rempli de poudre d'infiltration et placé dans un four dont la température est supérieure à 1100 degré C. Le taillant CDV peut également être monté sur un goujon par brassage et le goujon peut, à son tour, être monté sur le corps de trépan ou être inflitré dans celui-ci ou y être brasé.

Description

Trépan de forage comportant des taillants à pellicule de diamant.

La présente invention concerne d'une manière générale des trépans de forage dans le sol et, en particulier, des trépans de forage de ce genre comportant des taillants diamantés.

Les trépans de forage connus comprennent des trépans diamantés qui peuvent être fabriqués à partir de diamants naturels ou synthétiques. Les trépans de forage diamantés classiques utilisent un certain nombre de types différents de taillants en diamant, par exemple, des taillants compacts en diamant polycristallin (PDC), des taillants en diamant polycristallin thermostable (TSP), des taillants du type mosaïque et du diamant naturel et imprégné.

Les taillants en diamant PDC peuvent être fabriqués au départ d'un amalgame de diamant cristallin et de cobalt qui est fritté en objets discoïdes. Ces disques sont alors unis, habituellement par une presse à diamant, à une pastille en carbure de tungstène. Les taillants sur pastille sont alors attachés par les fabricants de trépans de forage à un goujon ou un tenon en carbure de tungstène qui est fixé à l'intérieur d'un corps de trépan de forage conçu par le fabricant de trépans.

Les taillants TSP sont des taillants en diamant
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-.

PDC dont des éléments métalliques ont été éliminés par lixiviation. Dans certains types de taillants TSP, les interstices dont le carbure de cobalt a été éliminé sont remplis d'un autre élément, par exemple un silicone, qui présente un coefficient de dilatation thermique semblable à celui du diamant. Les taillants TSP peuvent être utilisés pour former un taillant mosaïque dans lequel plusieurs éléments TSP de forme géométrique sont agencés et unis selon une forme souhaitée pour former une surface de coupe unitaire. Ils peuvent également être utilisés comme

taillants individuels.

La plupart des taillants PDC connus se dégradent très fortement au-dessus d'une température d'environ 700 à 750 C à cause de la différence de coefficient de dilatation thermique entre le diamant et le carbure de tungstène. Ceci empêche d'utiliser des alliages à point de fusion élevé pour unir le taillant PDC à une pastille en carbure et empêche également une infiltration directe d'un taillant PDC, soit par lui-même, soit en combinaison avec un porte-pastille ou un goujon, dans un trépan formé par infiltration dans un four à haute température. Les températures d'élaboration de ces trépans sont typiquement de 11000C et plus. Il serait souhaitable de fournir un diamant artificiel offrant une haute résistance à la dégradation thermique.

Le brevet US-A-4 976 324 accordé le 11 décembre 1990 à Tibbitts pour un trépan de forage comportant une surface de coupe à pellicule de diamant, décrit un trépan qui comprend un taillant comportant un substrat en diamant PDC qui est revêtu d'une pellicule de diamant déposée en phase vapeur. L'élément PDC est généralement monté sur un élément de support en carbure de tungstène qui est, à son tour, brasé ou fritté à un élément de support sur le corps de trépan. Ce brevet décrit également un taillant TSP portant une pellicule de diamant
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et uni par jonction à un élément de support sur le corps de trépan, d'une manière connue.

-.

Alors que la pellicule de diamant dans le brevet Tibbitts mentionné plus haut fournit une face de coupe présentant une porosité moindre, ce qui est souhaitable du point de vue de la résistance à l'usure et aux chocs, les éléments PDC sur lesquels la couche de diamant est formée ne permettent pas d'utiliser des températures élevées dans les processus de brasage, de jonction ou d'infiltration pour fixer les taillants au trépan et/ou aux porte-taillants qui sont, à leur tour, fixés au trépan. Bien que les taillants TSP puissent être soumis à des températures plus élevées que

les taillants PDC, le diamant cristallin pur tel que celui créé, par exemple, par dépôt chimique en phase vapeur, offre une meilleure résistance à la température et une moindre porosité.

De plus, une couche de diamant créée par dépôt chimique en phase vapeur peut être formée pour créer une face de coupe façonnée, c'est-à-dire non plane.

Il serait souhaitable de réaliser un trépan de forage comprenant des taillants en diamant synthétique qui soient entièrement faits de diamant produit par dépôt chimique en phase vapeur.

L'invention comprend un trépan pour le forage dans le sol comportant un corps. Au moins un taillant monté sur la surface du corps et faisant saillie sur celle-ci comprend une couche de diamant formée par dépôt en phase vapeur. L'invention comprend également un procédé pour fabriquer un tel trépan.

Ces buts, particularités et avantages de l'invention ainsi que d'autres encore ressortiront clairement de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée, donnée avec référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig. 1 est une vue en perspective d'un trépan de forage dans le sol construit conformément à l'invention ; la Fig. 2 est une vue en coupe, à plus grande échelle, d'une partie du trépan de la Fig. 1, et
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les Fig. 3 à 8 sont des vues en coupe, chacune -. d'une forme de réalisation différente de l'invention, comprenant un moule dans lequel un trépan de forage est formé.

L'invention procure un trépan de forage dans le sol perfectionné, le perfectionnement se situant au niveau du taillant en diamant. Comme le montre tout d'abord la Fig. 1, un trépan de forage dans le sol conforme à l'invention est indiqué d'une manière générale en 10. Le trépan de forage comprend un corps 12 qui porte une pluralité d'organes de coupe dont l'un est l'organe de coupe

15. Des organes de coupe supplémentaires sont indiqués d'une manière générale en 14. Le corps 12 peut être un élément moulé fabriqué par une technologie d'infiltration de matrice métallique classique ou peut comprendre de l'acier laminé ou une autre matière appropriée. Le corps 12 est couplé à une queue 16 comportant une partie filetée 18 destinée à assurer l'assemblage à une tige de forage standard.

La queue 16 et le corps 12 sont de préférence façonnés de manière à être fonctionnellement d'une seule pièce. Le trépan de forage 10 comprend un passage interne (non visible) dans lequel un fluide hydraulique peut s'écouler. Des ajutages (non représentés) sont ménagés dans le corps 12 pour répartir le fluide hydraulique provenant du passage à proximité des faces des organes de coupe 14.

Comme le montre la Fig. 2, l'organe de coupe 15 comprend un taillant 18 qui comprend une couche de diamant 20. La couche de diamant 20 présente une face de coupe 22 visible sur la Fig. 1. Dans la présente forme de réalisation de l'invention, la couche 20 est formée par dépôt chimique en phase vapeur.

Divers procédés ont été mis au point pour former des pellicules ou des revêtements de diamant. Un tel procédé est décrit dans le brevet US-A-4 707 384. Un autre procédé est décrit par E. V. Spitsyn et autres"Vapor Growth of Diamond on Diamond and Other Surfaces"J. of Crystal Growth
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52, pages 219 à 226 (1981). Des procédés supplémentaires -. sont décrits dans. les brevets US-A-4 486 286 ; 4 504 519 ; et 4 645 977 qui sont tous cités ici à toutes fins utiles.

Dans la forme de réalisation de la Fig. 2, une couche de jonction 24 est formée entre la surface en substance plane du corps 12 et une face postérieure, opposée à la face 22, de la couche de diamant 20. Dans la forme de réalisation de la Fig. 2, la couche de jonction 24 est obtenue par brasage de la couche de diamant 20 au corps de trépan 12. A cet effet, on utilise des alliages de brasure intercalés entre la couche 20 et le corps de trépan, puis

on les chauffe jusqu'à ce qu'ils fondent et forment la couche de jonction 24 qui fixe la couche 20 au corps de trépan 12. Au lieu du brasage, on peut recourir à des techniques de revêtement connues dans ce domaine pour unir la couche 20 au corps de trépan 12.

Etant donné que la couche 20 est du diamant polycristallin en substance pur, il peut résister à des températures sensiblement supérieures à celles normalement utilisées pour fixer des taillants en PDC à un corps de trépan et, dès lors, des alliages à points de fusion sensiblement supérieurs à ceux normalement utilisés pour fixer des taillants en PDC peuvent être utilisés. Ces alliages assurent une meilleure jonction.

Chaque taillant à couche de diamant peut être fixé au corps de trépan, à raison d'un taillant à la fois, par brasage au chalumeau. En variante, l'alliage peut être intercalé entre chaque taillant à couche de diamant dans le corps de trépan puis l'ensemble du corps de trépan peut être placé dans un four dans lequel une régulation de température plus précise que celle résultant de l'utilisation du chalumeau est obtenue.

La demande de brevet européen nO 881 203 78.0 déposée le 6 décembre 1988 décrit un procédé pour unir une couche de diamant formée par dépôt en phase vapeur à un outil de machine. La pellicule de diamant est formée sur un substrat temporaire. Le diamant est brasé au corps de
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l'outil, puis le substrat est éliminé par meulage de manière . à laisser la pellicule de diamant fixée à l'outil. Cette technique peut être utilisée pour monter les taillants en diamant dans la forme de réalisation décrite plus haut.

On peut également utiliser une variante de la technique précitée dans laquelle la pellicule de diamant est formée sur un substrat permanent qui est fixé au corps du trépan. Un substrat se prêtant au brasage, comme décrit plus haut, ou permettant de créer une jonction pendant une infiltration, comme décrit plus loin, peut être utilisé. Un tel substrat présentant des caractéristiques adéquates peut

être choisi par une personne moyennement habile dans ce domaine. Etant donné que le diamant se dilate très peu pendant le chauffage alors que le métal du trépan de forage pourrait se dilater de manière significative, un coefficient approprié de dilatation thermique pour le substrat contribue à éviter tout endommagement de la pellicule de diamant pendant le forage.

Des techniques de dépôt en phase vapeur connues peuvent être utilisées dans lesquelles le diamant déposé n'est pas attaché à un substrat, mais est plutôt déposé comme une couche de diamant libre.

Plusieurs feuilles de diamant, comme la feuille de diamant 25, sont montées sur une partie de calibrage du trépan 10, comme indiqué aux dessins. Les feuilles de diamant portent contre le côté du trou pendant le forage et servent à la fois à façonner le trou et à empêcher toute usure excessive du corps de trépan 12. La feuille 19 présente une légère courbure dans le sens transversal afin de correspondre à la courbure de la partie de calibrage du trépan de forage. La feuille de diamant 25 peut être formée et brasée sur la partie de calibrage du trépan 10 de la même manière que les taillants décrits plus haut.

Il est connu de former des feuilles de diamant comportant des surfaces courbes, comme décrit dans le brevet US-A-4 987 002 de Sakamotot et autres pour un procédé de formation d'une
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pellicule de diamant cristallin, qui est cité ici à titre -. de référence et à. toutes fins utiles.

Les deux taillants comme le taillant 15 et les feuilles de diamant, comme la feuille de diamant 25, peuvent en variante être formés par dépôt chimique en phase vapeur direct sur le corps de trépan 12. A l'aide de techniques connues, on peut masquer la surface du trépan en laissant une ouverture à l'endroit où l'on souhaite former le taillant de diamant déposé.

Comme le montre la Fig. 3,26 désigne une vue partielle d'un trépan de forage dans le sol infiltré reçu

dans un moule. Sur les figures restantes, la structure qui correspond à celle identifiée plus haut conserve les mêmes chiffres de référence. Sur la Fig. 3 sont représentés un corps de trépan infiltré 28 et un moule 30. Le corps de trépan 28 est obtenu par tassement de poudre d'infiltration classique dans un moule à trépan, puis par infiltration de la poudre dans un four. Le moule 30 comprend une surface 32 qui définit un support pour le taillant. Une surface en substance plane 34 coupe la surface 32 suivant une arête et coupe une autre surface de moulage 36 suivant une arête généralement opposée.

Dans le cas du trépan de la Fig. 3, la couche de diamant 20 est formée comme décrit plus haut à l'aide d'un procédé dans lequel le diamant déposé est attaché à un substrat ou à l'aide d'un procédé dans lequel une pellicule libre est créée. Tout substrat sur lequel la couche 20 est formée est éliminé. La couche 20 est ensuite insérée dans le moule 30 et est maintenue en place comme indiqué sur la Fig. 3. Le moule est ensuite rempli au moyen d'une poudre d'infiltration classique pour former le corps de trépan infiltré 28. Des taillants supplémentaires (non visibles sur la Fig. 3) sont placés dans le moule avant de le remplir de poudre.

Le moule est ensuite infiltré dans un four dans
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lequel les températures excèdent couramment 11000C. Ces températures détruiraient les taillants PDC classiques.

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Après le traitement au four, le trépan est retiré du moule et le taillant 18 est maintenu mécaniquement en place grâce au corps de trépan qui entoure l'une de ses extrémités.

Comme le montre la Fig. 4, le taillant 18 est fixé au corps de trépan 28 via une matière de jonction classique 38. Le moule 30 comprend une partie 40 présentant une section transversale semi-circulaire qui définit un canal pour l'eau dans le corps de trépan 28.

Lors de la fabrication du trépan de la Fig. 4, la couche de diamant 20 est formée comme décrit plus haut et

est fixée, à l'aide d'un adhésif classique, à l'intérieur du moule dans la position représentée sur la Fig. 4. Ensuite, une matière de jonction classique est placée sur le taillant 18 et le moule est garni de poudre d'infiltration et est placé dans un four. La haute température forme un corps de trépan massif et assure la jonction, via la matière de jonction 38, du taillant 18 au corps de trépan.

Dans la forme de réalisation de la Fig. 5, la couche de diamant 20 est fixée à un élément de support 42 avant que l'un ou l'autre ne soit reçu dans le moule 30.

L'élément de support 42 comprend une surface plane 44 qui est fixée à une surface postérieure 46 de la couche de diamant 20. Les surfaces 44 et 46 ont généralement le même périmètre et sont alignées l'une avec l'autre. L'élément de support 42 est typiquement fait de carbure de tungstène. La couche 20 peut être montée sur l'élément de support 42 par brasage au moyen d'alliages à haute température comme décrit plus haut à propos de la fixation de la couche à un corps de trépan, ou par des techniques classiques pour le montage de taillants PDC sur des éléments de support.

Lors de la fabrication de la forme de réalisation de la Fig. 5, l'élément de support 42 avec la couche de diamant 20 montée sur sa surface est reçu dans un moule 30, comme indiqué sur la Fig. 5. De la matière de jonction 38 est ensuite appliquée aux surfaces exposées de l'élément 42 et le moule est. rempli'de poudre d'infiltration. Après traitement au four, la matière de jonction attache l'élément 42 solidement au corps 28 dans la position représentée sur la Fig. 5. Il convient de noter que l'élément de support 42, sur lequel la couche de diamant 20 est montée, peut également être monté sur des trépans autres que des trépans infiltrés, par exemple, des trépans d'acier. Dans ces cas, l'élément de support est brasé au trépan d'une manière connue.

Dans la forme de réalisation de la Fig. 6, la

couche 20 est fixée à un goujon généralement cylindrique 48 qui peut être en carbure de tungstène. La couche 20 peut être fixée au goujon de la même manière qu'elle est fixée à l'élément de support 42 sur la Fig. 5. Ensuite, le goujon portant la couche 20 est mis en place dans le moule 30, comme le montre la Fig. 6, puis le moule est rempli de poudre d'infiltration et est placé dans le four pour former un trépan semblable à celui représenté sur la Fig. 6.

Dans la forme de réalisation de la Fig. 7, la couche de diamant 20 est unie par jonction à un goujon 50 ayant une forme différente de celle du goujon 48 de la Fig. 6. La couche 20 peut être unie par jonction au goujon 50 de la même manière que la couche de diamant de la Fig. 6 est unie au goujon 48. Le goujon 50 portant la couche 20 est reçu dans le moule 30 rempli de poudre et est infiltré, comme décrit plus haut, formant ainsi le trépan de la Fig. 7.

Les formes de réalisation des Fig. 6 et 7 sont avantageuses du fait que chacun des goujons 48,50 est entouré par un corps de trépan infiltré 28. Les goujons sont ainsi maintenus solidement à l'encontre de chocs mécaniques.

Les goujons connus partent du corps de trépan et sont, par conséquent, plus sujets à la rupture et à la fissuration produites par des forces mécaniques pendant le forage.

Dans l'une quelconque des formes de réalisation
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des Fig. 3 à 7, l'intérieur du moule peut être masqué et une -. couche de diamant peut être déposée sur une partie non masquée de l'intérieur du moule. Un dépôt de métal est alors formé au moyen de techniques classiques. Le moule est rempli de poudre et est infiltré dans un four, assurant ainsi la jonction au corps de trépan des taillants formés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur l'intérieur du moule.

Les formes de réalisation des Fig. 5 à 7 conviennent spécialement pour déposer directement du diamant sur l'élément de support 42 ou les goujons 48,50. L'élément de support et les goujons sont calibrés pour être

convenablement masqués et reçus dans une chambre de dépôt en phase vapeur en vue du dépôt direct d'une pellicule de diamant sur leurs surfaces.

Comme le montre la Fig. 8, la couche de diamant 20 se prolonge dans une partie 52 qui fait corps avec la couche 20. Des couches de diamant 54,56 supplémentaires entourent la partie 40 du moule. La partie 52 et les couches 54, 56 délimitent un canal à fluide sur la surface extérieure du trépan. Les couches de diamant déposées résistent à l'usure résultant du fluide de forage qui s'écoule dans le canal à fluide. Dans la forme de réalisation de la Fig. 8, la partie 52 et les couches 54, 56 sont en substance planes. Il convient de noter cependant que des configurations courbes ou autres de la couche de diamant formée par dépôt, comme décrit plus haut, peuvent être utilisées pour former des canaux à fluide sur le trépan de forage.

Les couches de diamant déposées, illustrées sur la Fig. 8, peuvent être fixées au corps de trépan 28 comme décrit avec référence aux formes de réalisation précédentes de l'invention.

Bien entendu, l'invention n'est en aucune manière limitée aux détails d'exécution décrits plus haut avec référence aux dessins annexés auxquels de nombreux changements et modifications peuvent être apportés sans sortir de son cadre.

Claims

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R E V E N D I C A T 1 0 N S REVENDICATIONS 1. - Un trépan de forage caractérisé en ce qu'il comprend - un corps formé par infiltration dans un moule ; - un taillant comprenant une couche de diamant formée par dépôt de vapeur, suffisamment épaisse pour servir d'élément de coupe de trépan, ledit taillant étant monté sur le corps en infiltrant une partie de ce corps pour maintenir ledit taillant pendant la formation de ce corps ; - une couche de matériau de liaison disposée entre ladite couche diamantée et la partie du corps retenant ledit taillant, ledit matériau de liaison étant en contact intime avec ladite couche de diamant et ledit corps et liant les deux éléments entre eux.
2.-Un trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau de liaison comprend un alliage ayant un point de fusion nettement supérieur à 750 C.
3.-Un trépan de forage caractérisé en ce qu'il comprend - un corps formé par infiltration dans un moule - un taillant monté sur ledit corps en infiltrant une partie de ce corps pour maintenir ledit taillant durant la formation de ce corps, ledit taillant comprenant EMI11.2 - un élément de coupe comprenant une couche de diamant -. formée par dépôt de vapeur, suffisamment épaisse pour servir d'élément de coupe de trépan et un substrat formé d'au moins un élément du groupe incluant les métaux et les matériaux céramiques, ledit élément de coupe étant formé indépendamment dudit substrat et ensuite solidarisé directement à celui-ci.
4.-Un trépan de forage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit substrat comprend un goujon.
5.-Un trépan de forage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit goujon est pratiquement <Desc/Clms Page number 12> entièrement englobé dans ledit corps.
6.-Un trépan de forage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit substrat comprend un substrat en carbure.
7.-Un trépan de forage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit substrat en carbure est fixé audit corps.
8.-Un trépan de forage suivant l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que ledit élément de coupe est fixé audit substrat par un alliage de brasage.
9.-Un trépan de forage suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ledit alliage a un point de fusion largement supérieur à la température à laquelle des diamants polycristallins dégénèrent.
10.-Un trépan de forage suivant l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que ledit alliage comprend un alliage ayant une température de fusion nettement supérieure à 750 C.
11. - Un trépan de forage caractérisé en ce qu'il comprend - un corps formé par infiltration dans un moule ; - un taillant comprenant une couche de diamant formée par dépôt de vapeur, suffisamment épaisse pour servir d'élément de coupe de trépan, ledit taillant étant monté sur le corps EMI12.1 en infiltrant une partie de ce corps pour maintenir ledit -. taillant pendant là formation de ce corps ; ladite partie dudit corps étant en contact intime avec ladite couche de diamant et solidarisant mécaniquement ladite couche audit corps.
12.-Un trépan de forage caractérisé en ce qu'il comprend - un corps ; - un taillant comprenant une couche de diamant formée par dépôt de vapeur, suffisamment épaisse pour servir de taillant à un trépan de forage et un alliage ayant une <Desc/Clms Page number 13> température de fusion largement supérieure à la température à laquelle un diamant polycristallin dégénère, ledit taillant étant brasé audit corps à l'aide dudit alliage, cet alliage étant en contact direct avec ledit taillant durant le brasage.
13.-Un trépan de forage suivant la revendication 12, caractérisé en ce que cet alliage comprend un alliage ayant une température de fusion nettement plus élevée que 750 C.