BE1010517A5

BE1010517A5 - Structure de coupe diamantee destinee au forage de formations souterraines dures.

Info

Publication number: BE1010517A5
Application number: BE9400330A
Authority: BE
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1993-03-30
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1998-10-06
Also published as: GB2276645A; GB9401586D0; US5460233A; GB2276645B

Abstract

L'invention a trait à un trépan rotary à lames destiné au forage de formations de roches dures et comportant des éléments de coupe PDC en substance plans équipés de tables diamantées supportées par des substats latéralement de forme évasée ou conique vers l'extérieur et vers l'arrière de l'arête de coupe de la table diamantée. Une structure de coupe formant une arête de coupe "à lèvre" fait également l'objet d'une description.

Description

Structure de coupe diamantée destinée au forage de formations souterraines dures.

Domaine de l'invention.

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, à des trépans rotary à lames destinés au forage de formations souterraines, et plus spécialement à des structures de coupe PDC (polycrystalline diamond compactcompacts en diamant polycristallin) qui sont utilisées avec de tels trépans rotary à lames.

Etat de la technique.

Des trépans rotary à lames à outils de coupe fixes ont été utilisés pendant des décennies pour le forage souterrain et des diamants naturels et synthétiques de dimensions, de formes et de calibres différents ont été utilisés sur des couronnes de trépans à lames en guise d'éléments de coupe. Les éléments de coupe PDC (polycrystalline diamond compact-compacts en diamant polycristallin) constitués d'une table diamantée plane formée dans des conditions de température élevée et de haute pression sur un substrat typique en carbure de tungstène cémenté ont été lancés sur le marché il y a environ vingt ans.

Les éléments de coupe PDC, présentant de grandes tables diamantées (habituellement circulaires ou semi-circulaires voire enw forme de pierre tombale), ont apporté aux concepteurs de trépans à lames un large choix d'utilisations et d'orientations éventuelles en matière de fraises, de configurations de couronnes, de placements d'ajustages ainsi que d'autres possibilités de conception impossibles jusqu'alors avec le diamant naturel de plus petite dimension et les diamants synthétiques polyédriques non supportés traditionnellement utilisés dans le cadre des trépans à lames.

Les éléments de coupe PDC plans ont, avec diverses conceptions de trépan, permis de réaliser des progrès

extraordinaires sur le plan de l'efficacité de forage ainsi que de la vitesse d'avancement (de pénétration) (ROP) lorsqu'ils sont utilisés dans des formations rocheuses de dureté faible à moyenne et les dimensions supérieures de l'outil de coupe et, par conséquent, une saillie et une extension accrues au-dessus de la couronne du trépan ont ouvert la voie à des moyens de circulation hydraulique nettement améliorés pour la lubrification et le refroidissement des outils de coupe ainsi que pour l'évacuation des débris de forage.

Des progrès du même type et de même importance sur le plan de la conception des trépans à lames destinés au forage de roches d'une résistance moyenne à élevée à la compression n'ont malheureusement pas été réalisés.

Des éléments de coupe PDC plans d'avant-garde supportés par un substrat ont fait montre d'une tendance marquée à l'effritement et à la rupture de la couche ou de la table diamantée PDC lorsqu'ils sont soumis à l'environnement sévère au fond du trou rencontré lors du forage de formations rocheuses de résistance moyenne à élevée à la compression, de l'ordre de neuf à douze kpsi (62 052 à 82 737 kPa) et plus, sans confinement. L'attaque de telles formations rocheuses par les éléments de coupe PDC s'effectue sous l'effet d'un poids important sur le trépan (WOB-weight on bit), nécessaire pour forer de telles formations rocheuses ainsi que de charges importantes de percussion dues aux oscillations de couple.

Ces conditions sont encore aggravées par l'importante mise en charge et hors charge des éléments de coupe lorsque le trépan percute la surface de la formation rocheuse qui ne cède pas du fait de la flexion, des tressautements et de l'oscillation du train de tiges, de la rotation et de l'oscillation du trépan ainsi que du poids variable exercé sur le trépan. Une roche à haute résistance à la compression ou des formations rocheuses plus tendres présentant des veines de résistance à la compression plus élevée provoquent, de ce fait, de

sérieuses détériorations, si ce n'est la destruction définitive des tables diamantées PDC.

Les trépans sont, en outre, soumis à d'importantes vibrations et charges par à-coups, dues au mouvement en cours de forage entre des roches de différentes résistances à la compression, par exemple lorsque le trépan rencontre brutalement une couche de dureté moyenne après avoir percé une roche tendre.

Une détérioration importante d'un seul outil de coupe seulement d'une couronne de trépan à éléments de coupe PDC peut entraîner une réduction significative de l'efficacité du trépan. Si plusieurs outils de coupe sont prévus à l'endroit radial d'un outil de coupe défaillant, le non-fonctionnement correct de l'un des outils de coupe entraînera rapidement la surcharge des autres ainsi que leur défaillance par effet"domino". Comme, en outre, même une détérioration relativement peu importante peut accélérer rapidement la dégradation des éléments de coupe PDC, les opérateurs de forage ont, dans leur ensemble, perdu la confiance dans les trépans à lames à éléments de coupe PDC pour des formations rocheuses dures ainsi que pour des formations à couches variables.

Il a été admis dans le secteur que l'arête vive typique à 900 d'un élément de coupe PDC conventionnel non usé est généralement susceptible de se détériorer lors de l'attaque initiale d'une formation rocheuse dure, et plus particulièrement si cette attaque s'effectue avec des à-coups même relativement peu importants. Il a également été admis que le prébiseautage ou le préchanfreinage de l'arête de coupe de la table diamantée PDC offre un certain degré de protection contre la détérioration de l'outil de coupe lors de l'attaque initiale de la formation rocheuse, les éléments de coupe PDC étant notoirement moins sujets à la détérioration après qu'une amorce de plat d'usure se soit formée sur la table diamantée et le substrat.

Les brevets U. S. Re 32 036,4 109 737,4 987 800 et 5 016 718 décrivent et illustrent des éléments de coupe

PDC biseautés ou chanfreinés de même que d'autres variantes telles que des arêtes arrondies (présentant un rayon) et des arêtes perforées qui se fracturent suivant une configuration formant un chanfrein. La demande de brevet U. S. nO 893 704, déposée le 5 juin 1992 et cédée à la Demanderesse et intégrée à la présente demande sous cette référence, décrit et illustre une configuration d'arête de table diamantée PDC à chanfreins multiples qui, dans certaines conditions, présente même une résistance supérieure à la détérioration de l'outil de coupe due aux chocs.

Toutefois, même dans le cas de modifications de configuration de l'arête de l'élément de coupe PDC utilisées récemment dans le secteur, la détérioration de l'outil de coupe reste un phénomène nettement trop fréquent lors du forage de formations rocheuses de résistance modérée à élevée à la compression ainsi que de formations rocheuses à couches de résistances différentes. Il en découle que les trépans à lames à éléments de coupe PDC sont toujours trop peu fréquemment utilisés que ce qui pourrait être souhaité pour le forage de telles formations rocheuses, à la lumière des avantages susmentionnés qu'ils offrent, et ce, du fait même du manque persistant de confiance dans leur durabilité.

Il serait souhaitable de fournir un élément de coupe PDC présentant une meilleure protection contre la détérioration lors de la première partie du forage, avant que ne se crée le plat d'usure de protection, et de
EMI4.1
mainteniellarête de coupe initiale dans son état d'origine jusqu'à ce que l'attaque utile de la formation rocheuse ait été entamée. En interdisant ou en réduisant de manière significative l'amorçage et la propagation de la fracture de la table diamantée lorsque le trépan atteint le fond du trou de forage, on permet aux nouvelles arêtes de coupe vives, non endommagées, d'attaquer de manière utile la formation et de développer des plats d'usure de protection qui empêcheront la détérioration de l'outil de coupe durant la suite du forage.

La durée de vie de l'outil de coupe s'en

trouverait donc accrue et prolongée.

RESUME DE L'INVENTION.

Par opposition à la technique antérieure, l'invention fournit une structure de coupe PDC extrêmement robuste caractérisée par une résistance accrue à la détérioration due aux phénomènes se produisant au fond de trou de forage et constatés pendant le forage.

L'invention comporte, dans une forme de réalisation utilisant une table diamantée PDC circulaire, une table diamantée supportée ou soutenue par un substrat de configuration tronconique s'évasant ou s'élargissant vers l'arrière et vers l'extérieur au départ d'un diamètre plus petit à proximité de la table diamantée vers un diamètre plus important pouvant se terminer à la surface du bord de fuite arrière du substrat, ou atteindre le diamètre extérieur plus important du substrat en avant de la surface arrière. La surface arrière ou surface de fuite du substrat est fixée de manière typique, par exemple par brasage, à un tenon ou à un élément-support cylindrique qui est à son tour fixé à la face de la couronne de trépan.

La conception conique du substrat, lorsqu'elle est utilisée dans une structure de coupe PDC sur la face d'attaque du trépan, conduit à une réduction mesurable de la contrainte induite lors du forage sur l'élément de coupe PDC. Dans les conditions rencontrées lors du forage de roches à résistance modérée à élevée à la compression, dans lesquelles les éléments de coupe PDC sont soumis à une charge combinée qui consiste simultanément en une charge verticale et en une charge horizontale importantes (par rapport au trajet du trépan), les réductions de contrainte résultant de l'invention avoisinent les 50 pour cent.

Autrement dit, dans des conditions impliquant un couple élevé et un poids important sur le trépan qui excède de loin celui qui peut être supporté par des éléments de coupe PDC

par exemple un segment de 900 ou de 1200 destiné, de par sa conception, à attaquer en premier lieu la formation rocheuse.

On croit qu'un aspect majeur de l'invention, abstraction faite de la forme spécifique de la table diamantée, est la conicité ou l'évasement du substrat en carbure vers l'arrière et vers l'extérieur au-delà de l'arête de coupe de la table diamantée de manière à fournir le relief et le renforcement mentionnés plus haut.

L'utilisation d'un élément de coupe"à lèvre", avec ou sans substrat conique, est également considéré comme étant un autre aspect significatif de l'invention.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS.

La Fig. 1 est une vue en élévation de côté d'un élément de coupe PDC de type connu utilisant un substrat cylindrique tronqué monté sur une face du trépan ; la Fig. 2 est une vue en élévation de côté d'un élément de coupe PDC plan, circulaire possédant un substrat tronconique conforme à l'invention, monté sur une face du trépan ; la Fig. 3 est une vue en élévation de côté d'un élément de coupe PDC plan, semi-circulaire possédant un substrat semi-tronconique, conforme à l'invention ; la Fig. 4 est une vue en élévation de côté d'un élément -de coupe PDC convexe, circulaire conforme à l'invention ; la Fig. 5 est une vue en élévation de côté d'un élément de coupe PDC concave, circulaire conforme à l'invention ; la Fig. 6 est une vue en perspective d'un élément de coupe du type lame conforme à l'invention ;

la Fig. 7 est une vue en élévation de côté d'un élément de coupe PDC conforme à l'invention présentant une arête de coupe du type lèvre ;

les Fig. 7A à 7D sont des vues partielles en élévation de côté de variantes de configurations d'élément de coupe qui définissent une lèvre ; les Fig. 8A et 8B sont des vues en élévation de côté d'éléments de coupe PDC conformes à l'invention avec des substrats à surfaces latérales évasées ou coniques non linéaires ; la Fig. 9 illustre un élément de coupe conforme à l'invention monté sur un élément-support de type tenon, et les Fig. 10A, 10B, 11A et 11B sont des vues en élévation de face et de côté d'éléments de coupe conformes à l'invention présentant des substrats à surface évasée ou conique sur une partie seulement de leur circonférence.

DESCRIPTION DETAILLEE DES FORMES DE REALISATION PREFEREES.

Avec référence à la Fig. 1 des dessins, on décrira un élément de coupe 10 de conception comme monté sur la face d'un trépan 12 en train de tailler dans une formation rocheuse 14. L'élément de coupe 10, présentant une table diamantée PDC circulaire 16 supportée par un substrat cémenté en carbure de tungstène 18 de la forme d'un cylindre tronqué ou d'un disque, est fixé à un élément-support cylindrique 19 noyé dans la face 20 d'un corps de trépan 22 de type en matrice, tous éléments connus dans le secteur de la technique. La charge combinée sur l'élément de coupe 10 due à la rotation du trépan et à l'attaque de la formation rocheuse 14, Fx, et au WOB (poids appliqué sur le trépan), Fy, est relativement substantielle, et ce, tout particulièrement dans le cas de formations rocheuses de résistance modérée à élevée à la compression.

L'arête de coupe 24 de la table diamantée 16, à sa partie la plus saillante vers l'extérieur (par rapport à la face 20 du trépan) de l'élément de coupe 10 est la zone et, dans les nouveaux éléments de coupe, le point initial de contact

entre l'élément de coupe 10 et la formation rocheuse 14. Il en résulte que les forces Fx et Fy, déjà substantielles, sont concentrées sur une zone incroyablement réduite qui ne peut même pas être étalée sur le nombre total des éléments de coupe sur la face du trépan aux stades initiaux de forage.

Comme noté antérieurement, le fléchissement, les tressautements, l'oscillation et la vibration du train de tiges de forage et les tressautements, l'oscillation et le tournoiement du trépan peuvent entraîner une charge par à-coups cyclique sur les éléments de coupe, aggravant ainsi le problème de mise en charge.

On verra aisément et on comprendra parfaitement qu'un élément de coupe conventionnel 10, présentant une pente de coupe comme le veut généralement la pratique dans le secteur, n'offre que peu ou pas de support utile pour l'arête de coupe 24 de la table diamantée 16 contre Fx, du fait que le substrat 18 à côté extérieur ou surface périphérique de diamètre constant 26 ne se prolonge pas derrière la table diamantée 16 sur une profondeur appréciable quelconque en raison de la pente de coupe de l'élément de coupe 10. Il existe donc un vide 28 immédiatement à l'arrière de la table diamantée 16, au niveau de l'arête de coupe 24 lorsqu'on observe l'outil suivant le plan x. On peut voir que la table diamantée 16, en substance non supportée, risque de s'éclater, de s'écailler et de casser du fait des charges induites par le forage dans cette-zone.

Même si l'arête de coupe 24 peut être chanfreinée, chanfreinée de façon multiple, arrondie, perforée ou dentelée de manière à réduire la tendance à la détérioration catastrophique de la table diamantée, l'inadaptation structurelle globale de tels éléments de coupe de conception antérieure reste absolument évidente.

Si on se réfère à présent à la Fig. 2 des dessins, on découvre une première forme de réalisation préférée 100 d'un élément de coupe conforme à l'invention dans la même position et dans la même orientation que

l'élément de coupe 10 de la Fig. 1, taillant la même formation rocheuse 14. Comme de nombreux éléments de la Fig. 2 (ainsi que des figures suivantes) sont les mêmes que ceux de la Fig. 1, ils sont, pour des raisons de clarté, désignés par les mêmes références.

L'élément de coupe 100 comporte une table diamantée PDC 16 en substance circulaire avec arête de coupe 24, de préférence chanfreinée ou arrondie, ce qui est connu dans le secteur. Le substrat en carbure de tungstène 102, situé à l'arrière de la table diamantée 16 est toutefois de configuration conique depuis un premier diamètre D au niveau de la table diamantée 16, diamètre qui est très proche de celui de cette dernière, jusqu'à un diamètre plus grand D2 à son extrémité arrière. Dans le cas de l'élément de coupe 100, le substrat 102 a la forme d'un cône tronqué, ou est tronconique, sa surface circulaire avant, plus petite, supportant la table diamantée 16. La surface circulaire arrière du substrat 102 est fixée, par brasage par exemple, à l'élément support cylindrique 19 sur la face de trépan 20.

On comprendra, comme cela est illustré sur les figures suivantes, que la surface latérale en pente ou conique du substrat peut atteindre le diamètre D2 sur le côté du substrat en avant de la surface arrière, le reste de la surface latérale du substrat étant, dans ce cas, cylindrique.

On peut constater que le substrat 102 sert d'appui aux forces Fy de la même manière que le substrat 18 de conception antérieure, mais qu'il est nettement supérieur à celui-ci du fait qu'il supporte l'arête de coupe 24 au niveau de la table diamantée 16 contre les forces Fx. Ceci est dû à la forme extérieure conique ou évasée vers l'extérieur du substrat 102 combinée à la pente de coupe de l'élément de coupe 10, procurant, dans les faits, un renforcement dans la zone externe 104 du substrat qui supporte la partie extérieure de la table diamantée 16, réduisant ainsi de manière significative les contraintes

dans la table diamantée.

Même sans la pente de coupe de l'élément de coupe apportant effectivement"plus"de matériau de substrat à l'arrière de la table diamantée 16, les techniques d'analyse d'éléments finis (FEA-finite élément analysis) ont montré une réduction significative et mesurable de la contrainte dans la zone de l'arête de coupe d'une table diamantée chanfreinée lorsqu'on emploie un substrat conique à 100 sur une profondeur de 0,080 pouce (2,03 mm). Cette réduction devient phénoménale, de l'ordre de 50%, lorsque la combinaison de charge sur un tel élément de coupe (environ 60 degrés par rapport à la direction de coupe) est simulée pour se rapprocher du forage de la roche à résistance extrêmement élevée à la compression.

Des tests sévères de chute ont été réalisés sur des éléments de coupe de 13 mm de diamètre à conicité de 150 sur 0,080 pouce (2,03 mm) de profondeur et à inclinaison arrière de 200, des éléments PDC répondant aux règles de l'art et disponibles sur le marché ayant été modifiés à cet effet. De tels tests ont été réalisés parallèlement à des essais avec des outils de coupe non modifiés et l'on a constaté qu'il était tellement difficile d'endommager les éléments de coupe coniques qu'il fut nécessaire de procéder aux tests de chute dans du granit Barre, du granit rouge rubis, du granit de Rib mountain et de la quartzite, de telle roches aussi dures présentant des résistances à la compression allant d'environ 30 à 70 kpsi (206 842 à 482 632 kPa).

Il s'avéra, après une série de quinze chutes, que le seul élément de coupe qui ait résisté à la série de chutes sans détérioration fut l'outil de coupe conique.

Des tests de forage ont également été réalisés avec un trépan à noyau Hughes Christensen RC 472 (4380 x 2400) équipé d'éléments de coupe de 13 mm avec substrat conique à 150 sur une profondeur de 0,080 pouce (2,03 mm). Les tests furent réalisés dans les tufs de Topapah Springs et de Tiva Canyon, tous deux présentant des

résistances à la compression de 25 à 35 kpsi (172 368 à 241 316 kPa). Des tests de ce type n'excèdent normalement pas 10 000 à 12 000 lbf (44 480 à 53 376 N) de poids exercé sur le trépan (WOB), car les WOB en excès par rapport à 10 000 lbf (172 368 N) détériorent les outils de coupe. Au cours de ces tests, des poids et des couples extrêmes furent appliqués avant qu'on ne constate la moindre détérioration.

Le trépan de test n'était pas endommagé après des essais à 16 000 lbf (71 168 N) de poids sur le trépan (WOB) et à 4000 ft-lbf (553,2 kg. m) de couple. Après un essai à 22 000 Ibf (97 856 000 N) de poids sur le trépan (WOB) et à 5000 ft-lbf (691,5 kg. m) de couple, un seul outil de coupe était endommagé de manière significative.

D'autres tests ont été réalisés avec un trépan Hughes Christensen 8 pouce (21,6 cm) AR 435 à dix-sept outils de coupe coniques de 13 mm et dix-neuf outils de coupe standard de 13 mm, les outils de coupe conique ayant des substrats à 100 sur 0,080 pouce (2,03 mm) de profondeur.

Les tests ont été réalisés dans du schiste argileux de Catoosa, du calcaire de Bedford et du marbre de Carthage.

On utilisa des pentes de coupe nominales standard. Les tests ont montré, de manière surprenante, que le trépan à outils de coupe coniques forait tout aussi vite à légèrement plus vite dans ces roches que des trépans identiques équipés d'outils de coupe traditionnels.

L'analyse d'éléments finis (FEA) et les tests empiriques ont donc chacun démontré que les éléments de coupe PDC à substrat conique offrent un avantage significatif sur le plan de la longévité sans perte des performances de coupe par rapport aux éléments de coupe conventionnels et qu'une avance (progression) significative sur le plan de la vitesse de pénétration (ROP) à travers la roche dure peut être obtenue en raison de la capacité des outils de coupe coniques à supporter un couple et un poids sur trépan (WOB) extraordinaires.

Les Fig. 3 à 7 des dessins illustrent des

variantes d'éléments de coupe conformes à l'invention.

La Fig. 3 décrit un élément de coupe"demi-rond" 200 possédant une table diamantée approximativement semicirculaire 202 supportée à l'arrière par un substrat demitronconique 204. C'est-à-dire que le substrat 204 se rapproche d'une structure tronconique coupée suivant un diamètre. Une ébauche semi-circulaire en carbure de tungstène 206 peut être placée à proximité de la table diamantée 202 de manière à offrir une surface d'usure contre les boues de forage chargées d'abrasif et contre les débris de forage provenant de la table diamantée 202.

L'élément de coupe 300 de la Fig. 4 est constitué d'une table diamantée connexe 302 sur un substrat tronconique 304. Le substrat 304 peut avoir une face avant convexe 306, comme indiqué en traits interrompus, et une table diamantée à profondeur constante posée sur cette face avant comme un film diamanté appliqué en CVD (constant volume deposit). En variante, la table diamantée 302 peut être plus épaisse en son centre, peut comprendre des saillies internes et externes ou des nervures à orientation parallèle, radiale ou autre ou peut encore être d'une épaisseur non uniforme.

La Fig. 5 illustre un élément de coupe 400 à table diamantée concave 402 sur un substrat à surface avant en creux ou concave 404.

La Fig. 6 est une vue en perspective partielle inversée d'une structure de coupe du type à lame 500, d'une table diamantée 502 comportant un grand nombre de plaques ou segments PDC, ou un film diamanté, ainsi que d'un substrat conique 504 comportant soit les substrats PDC adjacents meulés en cône ou un élément conique unique sur lequel est fixée ou appliquée la table diamantée 502.

La Fig. 7 illustre un élément de coupe semblable à celui des Fig. 2 et 3 dans lequel a été usinée une rainure, ou un dégagement, étroit et peu profond (dimensions exagérées sur le dessin) ou formé autrement dans la matière

du substrat 604, derrière la table diamantée 16. La rainure, ou le dégagement, offre une arête de coupe du type lèvre 606 pour l'élément de coupe 600, une telle structure étant plus acérée et donc plus efficace qu'une configuration conventionnelle et étant possible sur le plan structurel sans détérioration de l'élément de coupe du fait du substrat conique ou évasé 604.

Au lieu de rainurer le substrat pour former une lèvre, un substrat 608 présentant une face avant 610 un peu plus petite que la table diamantée peut être usiné ou formé d'une autre manière afin de s'évaser de manière continue vers l'extérieur et vers l'arrière en partant de la table diamantée, comme le montre la Fig. 7A.

La Fig. 7B illustre un substrat 612 qui est d'un diamètre légèrement plus petit sur sa face avant 614 que la table diamantée 16, mais, contrairement à la forme de réalisation de la Fig. 7A, le substrat 612 s'évase ou est conique vers l'extérieur sur tout son diamètre avant d'atteindre sa face arrière ou "postérieure"616. La Fig. 7C illustre une combinaison des particularités décrites plus haut, notamment une rainure ou un dégagement 602 formé dans un substrat 612 qui s'étend jusqu'à son diamètre avant d'atteindre sa pleine profondeur.

La Fig. 7D illustre un élément de coupe semblable à celui de la Fig. 7C, mais présentant une rainure ou un dégagement 602 décalé vers l'arrière par rapport à une zone de matériau de substrat 616 intermédiaire. On observera que la rainure 602 de Ta Fig. 7cr ne s'étend que sur une partie seulement de la circonférence de la table diamantée 16, une particularité qui peut être utilisée quelle que soit la position de la rainure 602 sur le substrat. On notera également qu'une table diamantée peut, si on le souhaite, être utilisée avec un substrat cylindrique (non conique) rainuré ou légèrement plus petit comme illustré en traits interrompus sur les Fig. 7A à 7D, de manière à définir la structure de lèvre.

Les Fig. 8A et 8B illustrent les formes de

réalisation 700 et 700'de l'élément de coupe de l'invention. Sur la Fig. 8A, la table diamantée 16 est supportée par un substrat 702 présentant une surface latérale extérieure évasée ou conique 704 de configuration concave en lieu et place du cône, chanfrein ou biseau décrit plus haut. La Fig. 8B illustre un substrat 706 présentant une surface latérale extérieure évasée ou conique convexe 708. Les formes de réalisation des Fig. 8A et 8B montrent un évasement ou une conicité atteignant le diamètre complet ou l'extension extérieure 710 du substrat à une distance intermédiaire entre les faces avant et arrière.

La Fig. 9 illustre un élément de coupe 800 conforme à l'invention comportant une table diamantée 16 sur un substrat 802, ce dernier présentant une surface latérale extérieure évasée 804 conduisant à la surface latérale extérieure cylindrique 806. La face arrière 808 de l'élément de coupe 800 est fixée à un tenon 810 qui peut être fixé sur un trépan par insertion de son extrémité intérieure 812 dans une ouverture pratiquée dans la face du trépan et brasage par emboîtement à pression ou par tout autre moyen connu.

Les Fig. 10A et 10B illustrent un élément de coupe 900 dans lequel la partie évasée ou conique 904 du substrat 902 ne s'étend que sur une partie circonférentielle ou segment 906 de l'élément de coupe. Le segment 906 est alors disposé et orienté sur la face du trépan de manière à attaquer la formation rocheuse à forer.

- Les Fig. 11A et 11B illustrent un autre élément de coupe 1000 qui ne comporte à nouveau qu'un seul segment latéral circonférentiel évasé ou conique 1004 du substrat 1002, se prolongeant dans ce cas dans des méplats latéraux 1006 de chaque côté du substrat 1002, ces méplats 1006 permettant une plus grande facilité d'orientation angulaire de l'élément de coupe 1000 sur un élément-support. Une rainure circonférencielle partielle telle que décrite plus haut peut, si on le souhaite, évidemment être combinée à un évasement ou à une conicité circonférencielle partielle.

On comprendra également que d'autres configurations de tables diamantées en substance planes peuvent être utilisées dans des outils de coupe conformes à l'invention. Ainsi, par exemple, une surface de coupe nervurée ou dentelée, comme décrit dans les brevets U. S.

4 629 373,4 984 642 et 5 037 451 peut être utilisée.

D'autres conceptions de tables diamantées à profondeur variable sont décrites dans les brevets U. S. 4 997 049, 5 011 515 et 5 120 337, dans le brevet européen nO 0 322 214 et dans la demande de brevet U. S. nO 016 085 déposée le 10 février 1993, cette dernière étant cédée à la Demanderesse et intégrée au présent mémoire sous cette référence.

Différents matériaux de tables, super-durs, peuvent être utilisés comme les PDC thermiquement stables, communément appelés TSP, les films diamantés ou le nitrure cubique de bore.

L'élément de coupe de l'invention peut être monté sur un élément-support cylindrique ou tenon comme illustré, sur un tenon allongé, directement sur la face du trépan ou par tout autre moyen connu ou envisagé dans le secteur.

Il apparaîtra donc facilement à tout qui possède une expérience ordinaire dans le secteur que l'invention, bien que décrite en termes de formes de réalisation préférées et de variantes de réalisation, n'est nullement
EMI15.1
limitée et que ce qui a été signalé plus avant, ainsi que zu d'autres additions, suppressions et modifications peuvent être apportées à l'invention sans sortir du cadre des revendications annexées.

Claims

EMI16.1

R E V E N D I C A T 1 0 N S REVENDICATIONS - -------------------------- 1.-Un élément de coupe (100,. 00,1000) pour un trépan rotary à lame utilisé pour le forage de formations souterraines et comprenant - une table en matériau superdur (16) en substance plane, cette table présentant une surface de coupe à un de ses côtés et une arête de coupe (24) bordant cette surface de coupe sur au moins une partie de sa périphérie et - un substrat (18,102, 204...) fixé à cette table en matériau superdur et supportant celle-ci du côté opposé à celui de la surface de coupe, ce substrat (18,102, 204...) ayant une extension latérale non supérieure à celle de la table (16) près de l'arête de coupe (24), l'extension latérale de ce substrat s'accroissant au-delà de cette arête de coupe (24) à mesure que ledit substrat (18,102, 204...)

s'étend vers l'arrière à partir de cette table superdure (16).
2.-Elément de coupe selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite table en matériau superdur (16) est en substance circulaire et ledit substrat (18,102, 204) est en substance tronconique.
3.-Elément de coupe selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite table en matériau superdur est en substance semi-circulaire, ladite arête de coupe (24) est constituée d'un segment courbe de la limite dudit demi-cercle et que ledit substrat (204) est EMI16.2 semi-tronconique.
4.-Elément de coupe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit substrat (608) s'étend latéralement vers l'extérieur et vers l'arrière à partir de ladite arête de coupe (24) de la table diamantée, et ce, de manière quasiment continue.
5.-Elément de coupe suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit substrat (18,102, 204...) s'étend latéralement en pente ou en cône vers l'extérieur <Desc/Clms Page number 17> et vers l'arrière à partir de ladite arête de coupe (24).
6.-Elément de coupe (600,...) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit substrat (608) s'étend latéralement vers l'extérieur et vers l'arrière derrière ladite arête de coupe (24) de la table diamantée, et ce, de manière quasiment continue.
7.-Elément de coupe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une portion dudit substrat (604), à l'arrière de ladite arête de coupe (24), est d'une étendue latérale légèrement plus petite que ladite table diamantée (16), de manière à définir une lèvre (606).
8.-Elément de coupe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite table en matériau superdur (16) comporte un PDC.
9.-Elément de coupe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite arête de coupe (24) est chanfreinée.
10.-Elément de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite arête de coupe (24) est arrondie.
11.-Elément de coupe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite table en matériau superdur (16) présente une surface de EMI17.1 coupe plane.

-.
12.-Elément de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite table en matériau superdur (16) est d'épaisseur non uniforme.
13.-Elément de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite table en matériau superdur (16) présente une surface de coupe convexe.
14.-Elément de coupe selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite table en matériau superdur (16) présente une surface de coupe nervurée. <Desc/Clms Page number 18>
15.-Elément de coupe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, en plus, un élément-support (19) sur lequel est fixé l'arrière dudit substrat (102). EMI18.1
16.-Elément de coupe selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'élément-support (19) comporte un cylindre.
17.-Elément de coupe selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'élément-support (19) comporte un tenon (812).
18.-Elément de coupe pour un trépan rotary à lames utilisé dans le forage de formations souterraines, caractérisé en ce qu'il comporte une table en matériau superdur (16), en substance plane, avec arête de coupe (24) ; un substrat (102) à l'arrière de ladite table en matériau superdur (16), supportant celle-ci et présentant au moins une étendue latérale moindre que ladite table diamantée (16) de manière à former une lèvre (606) associée à ladite arête de coupe (24), ledit substrat s'évasant ou s'inclinant en pente vers l'extérieur et vers l'arrière à partir de ladite arête de coupe.
19.-Elément de coupe suivant la revendication EMI18.2 19, caractérisé en ce que la table (16) comprend un PDC.
20.-Elément de coupe (100,. 00, 1000) pour un trépan rotary à lames utilisé pour le forage de formations rocheuses souterraines et comprenant : une table en matériau superdur (16) en substance plane présentant une arête de coupe (24) plane sur un de ses côtés et au moins un substrat (102) derrière cette table en matériau superdur (16) et la supportant, caractérisé en ce que le substrat (102) comporte une partie présentant une extension latérale en substance égale à celle de cette table (16) près de l'arête de coupe EMI18.3 (24) et va en augmentant au-delà de l'arête de coupe (24).
21.-Trépan rotary à lames à outil de coupe fixe pour le forage de formations rocheuses souterraines, comportant : une tige ; un corps de trépan (22) fixé à ladite <Desc/Clms Page number 19> tige et possédant une face (20) opposée à celle-ci et, fixé à ladite face de corps (20), au moins un élément de coupe (100,. 00,1000) en matériau superdur suivant l'une quelconque des revendications précédentes.
22.-Trépan rotary à lames selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comporte, en plus, un élément-support (19) fixé à ladite face et sur lequel est fixé ledit substrat.
23.-Trépan rotary à lames selon la revendication 21, caractérisé en ce que ledit élément-support (19) comporte un cylindre et que l'arrière dudit substrat est fixé à une extrémité dudit cylindre.
24.-Trépan rotary à lames selon la revendication 21, caractérisé en ce que ledit élément-support (19) comporte un tenon inséré dans une ouverture pratiquée dans la face dudit trépan, et que l'arrière dudit substrat est fixé audit tenon.
25.-Trépan rotary suivant la revendication 21, caractérisé en ce que la dimension latérale extérieure du substrat n'est pas plus grande que celle de la table en matériau superdur à proximité de l'arête de coupe et s'étend latéralement et vers l'arrière derrière cette arête de coupe.
26.-Trépan rotary suivant la revendication 21, EMI19.1 caractérisé en ce que la table en matériau superdur présente une surface plane, la dimension latérale extérieure du -. substrat s'étendant latéralement vers l'extérieur au-delà de l'arête de coupe.
27.-Trépan rotary suivant la revendication 21, caractérisé en ce que la table en matériau superdur présente une surface plane, la dimension latérale extérieure du substrat étant en substance égale à celle de cette table à proximité de l'arête de coupe et s'étendant latéralement vers l'extérieur depuis la proximité de cette table en matériau superdur.