BE1012889A3 - Elements de coupe comportant une couche de carbure exempte de liant. - Google Patents
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Abstract
Un trépan de forage de terre comporte des éléments de coupe insérés dansdes trous dans le support du dispositif de coupe. L'élément de coupe comporte un corps composé d'un matériau tenace, de préférence de carbure de tungstène contenant un liant d'un métal doux. Une couche de carbure composite pratiquement exempte de liant est fixée à l'extrémité de coupe du corps. Un élément de coupe comporte une extrémité de coupe en forme de ciseau, avec deux faces de dépouille convergentes. Une des faces de dépouille comporte la couche de carbure exempte de liant. L'élément d'insertion est agencé au niveau d'une jontion entre la surface de front de taille et la surface de taille périphérique en vue de l'engagement dans la paroi latérale du trou de forage. des éléments d'insertion de front de taille agencés dans la surface de front de taille comportent des extrémités externes contenant une couche de carbure exempte de liant.
Description
<Desc/Clms Page number 1> ELÉMENTS DE COUPE COMPORTANT UNE COUCHE DE CARBURE EXEMPTE DE LIANT DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne-en général des trépans de forage de terre et en particulier un trépan de forage de terre comportant des éléments de coupe composés de carbure composite, au moins certains des éléments de coupe comportant une couche de carbure exempte de liant sur une partie externe. TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le succès du forage rotatif a permis la découverte de gisements de pétrole et de gaz profonds. Le trépan tri cône rotatif a constitué une invention importante qui a conféré au forage rotatif ses propriétés économiques. Lors du forage de trous de forage dans des formations de terre selon le procédé rotatif, on utilise des trépans tricônes comportant un, deux ou trois dispositifs de coupe à molettes. Le trépan est fixé à l'extrémité inférieure d'un train de tiges mis en rotation à partir de la surface ou par des moteurs ou des turbines de fond. Les dispositifs de coupe montés sur le trépan roulent et glissent sur le fond du trou de forage lors de la rotation du trépan, s'engageant ainsi dans le matériau de la formation devant être éliminé et le désintégrant. Les éléments de coupe à molettes comportent des dents ou des éléments de coupe entraînés à pénétrer dans le fond du trou de forage et à entailler celui-ci sous l'influence du poids du train de tiges. Les déblais du fond et des parois latérales du trou de forage sont éliminés par lavage par le fluide de forage pompé à partir de la surface à travers le train de tiges creux et sont transférés en suspension dans le fluide de forage vers la surface. Un type d'élément de coupe fréquemment utilisé est un élément d'insertion en carbure de tungstène cimenté pressé par ajustement serré dans une ouverture dans le corps ou l'enveloppe du dispositif de coupe. Le carbure de tungstène cimenté est un métal composite plus dur que le corps en acier du dispositif de coupe, comportant une partie de base cylindrique et une partie de pointe de coupe. La partie de pointe de coupe a différentes configurations, par exemple en ciseau, hémisphérique ou conique, en fonction du type de la formation devant être forée. <Desc/Clms Page number 2> Certains des éléments d'insertion en carbure de tungstène cimenté comportent une structure de coupe très agressive et des qualités de carbure permettant aux trépans de forer des formations molles et moyennement dures avec le même trépan. Ces éléments d'insertion agressifs sont agencés dans des rangées internes et de taille périphérique s'étendant circonférentiellement autour du dispositif de coupe. Le dispositif de coupe comporte aussi une surface de front de taille et une surface de taille périphérique, agencée au niveau du bord extérieur des rangées internes et rejoignant la surface de front de taille au niveau d'un angle. Les éléments d'insertion de front de taille sont agencés sur la surface de front de taille en vue de l'engagement dans une paroi latérale du trou de forage. Dans certains dispositifs de coupe, des éléments d'insertion de raclage sont agencés au niveau de la liaison entre la surface de taille périphérique et la surface de font de taille pour racler la paroi latérale du trou de forage. Au cours du forage, il y a production de contraintes de contact élevées et de chaleur, en particulier par suite de l'engagement par friction des éléments d'insertion de front de taille et des éléments d'insertion de raclage dans la paroi latérale du trou de forage. Les éléments d'insertion en carbure de tungstène cimenté contiennent un liant composé d'un métal mou, par exemple de cobalt. Une chaleur excessive risque de ramollir le liant, entraînant une déformation plastique de l'élément d'insertion en présence de contraintes de contact élevées, fréquentes lors du forage. Le liant risque aussi d'être attaqué chimiquement par les fluides de forage ou éliminé par abrasion par les particules plus dures dans la formation. Toutes les conditions ci-dessus entraînent la formation de fissures. Ces fissures peuvent entraîner une défaillance prématurée. Les carbures composites exempts de liants sont connus, mais ils sont plus fragiles et ainsi plus facilement sujets à une cassure qu'un carbure cimenté contenant du cobalt. DESCRIPTION DE L'INVENTION Selon la présente invention, un trépan de forage de terre comporte des éléments de coupe fixés dans des trous formés dans une enveloppe ou un support du dispositif de coupe. Certains des éléments de coupe comportent des corps composés d'un matériau tenace, de préférence de carbure de tungstène cimenté. Ce matériau contient des métaux mous, par exemple du cobalt ou du nickel comme liant et est fritté. <Desc/Clms Page number 3> Le corps de l'élément de coupe comporte une extrémité de coupe débordant de l'un des trous. Une couche de carbure composite exempte de liant est agencée sur l'extrémité de coupe. La couche est pratiquement exempte de liant. Elle est de préférence formée sur l'extrémité de coupe du corps par un procédé haute pression. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue en perspective d'un trépan de forage de terre du type à dispositif de coupe à molettes selon la présente invention ; la figure 2 est une vue en élévation d'une première forme de réalisation d'un élément de coupe perfectionné selon la présente invention ; la figure 3 est une vue en plan d'en haut de l'élément de coupe de la figure 2 ; la figure 4 est une vue en coupe de l'élément de coupe de la figure 2, prise le long de la ligne 4-4 de la figure 2 ; la figure 5 est une vue en coupe d'une deuxième forme de réalisation d'un élément de coupe perfectionné selon la présente invention ; la figure 6 est une vue en coupe schématique partielle d'un dispositif de coupe pour le trépan de la figure 1, illustrant les emplacements des éléments de coupe des figures 2 et 5. MEILLEUR MODE D'EXÉCUTION DE L'INVENTION Les figures, en particulier la figure 1. illustrent un trépan de forage de terre 11 selon la présente invention. Le trépan 11 englobe un corps de trépan 13 fileté au niveau de son extension supérieure 15 en vue d'une connexion dans un train de tiges. Le corps 13 comporte trois branches, chaque branche comportant un compensateur de lubrifiant 17. Au moins une buse 19 est agencée dans le corps du trépan 13 pour pulvériser du fluide de forage à partir de l'intérieur du train de tiges, pour refroidir et lubrifier le trépan 11 au cours de l'opération de forage. Un dispositif de coupe 21, 23 ou 25 est fixé par rotation à un arbre de support s'étendant à partir de chacune des branches du corps du trépan 13. Chaque dispositif de coupe 21,23, 25 comporte une surface externe englobant une surface de front de taille 31 et une surface de taille périphérique 41, reliées au niveau d'une liaison 42. Chaque dispositif de coupe 21, 23, 25 sert de support pour des éléments de coupe. Les éléments de coupe sont agencés dans des rangées généralement circonférentielles sur la surface externe de l'enveloppe du dispositif de coupe et fixés par <Desc/Clms Page number 4> ajustement serré. Les éléments de coupe englobent des éléments de coupe de front de taille 33 fixés dans des trous 34 (figure 6) sur la surface de front de taille 31, des éléments de coupe de taille périphérique 43 sur les surfaces de taille périphérique 41,, et au moins une rangée interne 45 d'éléments de coupe. Les éléments de coupe de taille périphérique 43 peuvent être du type conventionnel et être identiques aux éléments de la rangée interne 45. Des éléments de rognage ou de raclage de front de taille 51 sont montés dans des trous 50 (figure 6), en général au niveau de la jonction 42 des surfaces de front de taille 31 et de taille périphérique 41, comme décrit dans les brevets US cédés au demandeur no. 5351768 et 5479997 attribués à Scott et al. Comme représenté dans la figure 2, chaque élément d'insertion de raclage 51 comporte un corps 52 avec une base cylindrique qui est pressée par ajustement serré dans l'un des trous 50 (figure 6). Le corps 52 de l'élément d'insertion de raclage 51 comporte une extrémité de coupe débordant du trou 50 et a en général une forme en ciseau. L'extrémité de coupe englobe une face de dépouille externe 55 plate et orientée vers l'extérieur en vue de l'engagement dans la paroi latérale 56 (figure 6) du trou de forage. Une face de dépouille interne 57 plate converge vers la face de dépouille externe 55. Une crête 59 est agencée au niveau de l'intersection des faces de dépouille 55, 57. Comme représenté dans la figure 2, la face de dépouille externe 55 comporte un périmètre ayant en général une forme ovale 63. La face de dépouille interne 57 est inclinée au même angle que la face de dépouille externe 55 par rapport à l'axe du corps 52 et comporte une périphérie similaire. Le corps 52 de l'élément d'insertion de raclage 51 est composé d'un matériau tenace, de préférence d'un carbure cimenté. Le corps en carbure cimenté 52 contient comme liant un métal mou, par exemple du cobalt, du nickel, du fer, ou des alliages correspondants. Le corps 52 présente de préférence une dureté d'environ 89, 0 HRA (Rockwell"A"). Un carbure composite préféré est le carbure de tungstène, contenant un liant de cobalt avec une teneur comprise dans l'intervalle allant de 6 à 16 pour cent. Ce matériau est généralement utilisé pour les éléments de coupe dans les trépans selon la technique antérieure. Une couche 61 de carbure exempte de liant est formée sur la face de dépouille externe 55. La couche 61 est composée d'un carbure composite ayant une dureté largement supérieure à celle du corps 52, par exemple d'environ 98, 0 HRA. La ténacité de la couche 61 est toutefois faible par <Desc/Clms Page number 5> rapport à celle du matériau du corps 52. La grosseur des grains de la couche 61 est très fine par rapport à la grosseur des grains du matériau du corps 56, ayant un diamètre moyen de 0, 25 microns. La couche 61 a une épaisseur comprise entre environ 0, 010 et 0, 100 pouces et elle est plate. Le carbure exempt de liant préféré pour la couche 61 est composé pour l'essentiel de carbure de tungstène ne contenant qu'une quantité réduite de molybdène. Les matériaux et les procédés de production du matériau sont connus et ont été décrits dans les brevets US 4744943 et 4945073. Un type de matériau pour la couche 61 est commercialisé par la Dow Chemical Company, Midland, Michigan. Pour appliquer la couche 61, le corps 52 est d'abord formé de façon conventionnelle. Au cous du formage, un évidement peu profond ou une fente peut être agencé sur la face de dépouille externe 55 délimitée par la périphérie 63. La couche 61 est ensuite placée dans l'évidement peu profond sur le corps 52 et liée par application d'une pression élevée. Une matrice à fluide préchauffé contenant un élément de carbure préformé exempt de liant et un corps préformé 52 est immergé dans une presse à forger, une pression étant appliquée à la matrice à fluide. Les pressions sont relativement élevées, avec des temps de séjour courts en vue d'accroître la densité de la couche 61 sur le corps 52 sans affecter le corps 52. Ce procédé assure la liaison de la couche 61 au corps 52. L'action d'alliage entre la couche 61 et le corps 52 est très réduite. La figure 5 est une vue en coupe de l'un des éléments d'insertion de front de taille 33. L'élément d'insertion de front de taille 33 comporte un corps cylindrique 65. Le corps 65 est ajusté par pression dans l'un des trous 50 (figure 6). Le corps 65 comporte une extrémité externe 66 plate et perpendiculaire à l'axe longitudinal du corps 65. Le corps 65 est composé d'un carbure de tungstène cimenté conventionnel comportant un liant de matériau mou, par exemple de nickel ou de cobalt. Le carbure de tungstène contient de préférence environ 6 à 16 pour cent de cobalt. Une couche 67 de carbure exempte de liant est formée sur l'extrémité externe 66. La couche 67 est du même type et est appliquée de la même manière que la couche 61 sur l'élément d'insertion de raclage 52. La couche 66 comporte une face de coupe biseautée 69 au niveau d'un bord rejoignant le corps 65. La face de coupe 65 est de préférence inclinée comme décrit dans le brevet US 5655612. <Desc/Clms Page number 6> En service, les éléments de coupe de raclage 51 et les éléments de coupe de front de taille 33 s'engagent dans la paroi latérale du trou du forage 56 (figure 6) par raclage. Les éléments de coupe 51 et 56 rencontrent une résistance élevée à la friction, des contraintes de contact et par suite une chaleur élevée. Les couches de carbure exemptes de liant 61 et 66 retardent l'endommagement des éléments 51 et 33. La face de coupe 69 des éléments d'insertion de front de taille 33 améliore l'action de raclage de la paroi latérale 56. Les périphéries 63 des éléments d'insertion de raclage 512 maintiennent une arête vive sur la couche 61 au niveau de la crête 59, étant donné que l'usure est plus importante au niveau du rebord formé par la périphérie 63, comportant un corps plus mou 52 que sur la couche 61. L'invention présente des avantages notables. Les couches de carbure exemptes de liant sur les éléments d'insertion de raclage et de front de taille sont plus résistantes aux températures élevées que les corps en carbure de tungstène cimenté, la formation de fissures étant donc moins probable. Les couches exemptes de liant sont plus dures que les corps d'insertion, assurant une meilleure résistance à l'usure par glissement que les éléments d'insertion conventionnels en carbure de tungstène. L'invention a certes été décrite en référence à seulement deux de ses formes de réalisation, mais les hommes de métier comprendront qu'elle n'y est pas limitée, mais que différents changements pourront y être apportés sans se départir de l'objectif de l'invention.
Claims (15)
- REVENDICATIONS 1. Trépan de forage de terre, comprenant : un corps de trépan ; au moins un support des éléments de coupe sur le corps du trépan ; plusieurs éléments de coupe fixés dans des trous formés dans le support des éléments de coupe ; au moins un des éléments de coupe comprenant un corps d'élément de coupe composé d'un matériau tenace, le corps de l'élément de coupe comportant une extrémité de coupe débordant de l'un des trous ; et une couche de carbure composite, pratiquement exempte de liant métallique et fixée à l'extrémité de coupe.
- 2. Trépan de forage de terre selon la revendication 1, dans lequel l'extrémité de coupe comporte au moins une face de dépouille pratiquement plate, la couche étant agencée sur la face de dépouille.
- 3. Trépan de forage de terre selon la revendication 1, dans lequel l'extrémité de coupe comporte deux faces de dépouille pratiquement plates et convergeant l'une vers l'autre, la couche étant fixée sur l'une des faces de dépouille.
- 4. Trépan de forage de terre selon la revendication 1, dans lequel le corps de l'élément de coupe comporte un axe, l'extrémité de coupe comportant une extrémité externe pratiquement perpendiculaire à l'axe et la couche étant fixée à l'extrémité externe.
- 5. Trépan de forage de terre selon la revendication 1, dans lequel le matériau tenace est du carbure de tungstène cimenté comportant un liant de métal mou.
- 6. Trépan de forage de terre, comprenant : un corps de trépan ; au moins un arbre de support en porte-à-faux s'étendant vers l'intérieur et vers le bas du corps du trépan ; un dispositif de coupe monté de sorte à pouvoir tourner sur l'arbre de support, le dispositif de coupe comportant une surface de taille périphérique et une surface de front de taille reliées l'une à l'autre ; plusieurs éléments de coupe fixés dans des trous formés dans le dispositif de coupe ; <Desc/Clms Page number 8> au moins un des éléments de coupe comprenant un corps d'élément de coupe composé d'un matériau tenace, le corps de l'élément de coupe comportant une extrémité de coupe débordant de l'un des trous ; et une couche de carbure composite exempte de liant fixée à l'extrémité de coupe.
- 7. Trépan de forage de terre selon la revendication 6, dans lequel ledit au moins un des éléments de coupe est un élément de coupe de raclage agencé dans l'un des trous au niveau d'une jonction entre la surface de front de taille et la surface de taille périphérique, l'élément de coupe de raclage comportant des faces de dépouille interne et externe convergentes pour définir une crête généralement alignée avec la jonction, la couche étant fixée à la face de dépouille externe.
- 8. Trépan de forage de terre selon la revendication 6, dans lequel ledit au moins un des éléments de coupe est un élément de coupe de front de taille agencé dans l'un des trous dans la surface de front de taille, le corps de l'élément de coupe de front de taille comportant un axe longitudinal. l'extrémité de coupe de l'élément de coupe de front de taille comportant une extrémité externe pratiquement perpendiculaire à l'axe, la couche étant fixée à l'extrémité externe.
- 9. Trépan de forage de terre selon la revendication 6, dans lequel ledit au moins un des éléments de coupe est un élément de coupe de front de taille agencé dans l'un des trous dans la surface de front de taille, le corps de l'élément de coupe de front de taille comportant un axe longitudinal, l'extrémité de coupe de l'élément de coupe de front de taille comportant une extrémité externe pratiquement perpendiculaire à l'axe, la couche étant fixée à l'extrémité externe, la couche comportant une surface de coupe biseautée sur un bord pour cisailler une paroi latérale du trou de forage.
- 10. Trépan de forage de terre selon la revendication 6, dans lequel le matériau tenace est du carbure de tungstène cimenté contenant un liant choisi dans le groupe constitué de cobalt, de nickel, de fer et de leurs alliages.
- 11. Trépan de forage de terre, comprenant : un corps de trépan ; au moins un arbre de support en porte-à-faux s'étendant vers l'intérieur et vers le bas du corps du trépan : <Desc/Clms Page number 9> un dispositif de coupe monté de sorte à pouvoir tourner sur l'arbre de support, le dispositif de coupe comportant une surface de taille périphérique et une surface de front de taille reliées l'une à l'autre ; plusieurs éléments de coupe fixés dans des trous formés dans la surface de front de taille et en général au niveau d'une jonction entre la surface de taille périphérique et de la surface de front de taille ;au moins un des éléments de coupe comprenant un corps d'élément de coupe composé de carbure de tungstène cimenté comprenant un liant d'un métal doux, le corps de l'élément de coupe comportant une extrémité de coupe débordant de l'un des trous ; et une couche de carbure composite sur l'extrémité de coupe, la couche étant pratiquement exempte de liant d'un métal mou.
- 12. Trépan de forage de terre selon la revendication 11, dans lequel ledit au moins un des éléments de coupe est un élément de coupe de raclage agencé dans l'un des trous au niveau de la jonction, l'élément de coupe de raclage comportant des faces de dépouille interne et externe convergentes pour définir une crête généralement alignée avec la jonction, la couche recouvrant pratiquement la face de dépouille externe.
- 13. Trépan de forage de terre selon la revendication 12, dans lequel ledit au moins un des éléments de coupe est un élément de coupe de raclage agencé dans l'un des trous au niveau de la jonction, l'élément de coupe de raclage comportant des faces de dépouille interne et externe convergentes pour définir une crête généralement alignée avec la jonction, la couche recouvrant pratiquement la face de dépouille externe.
- 14. Trépan de forage de terre selon la revendication 12, dans lequel ledit au moins un des éléments de coupe est un élément de coupe de front de taille agencé dans l'un des trous dans la surface de front de taille, le corps de l'élément de coupe de front de taille comportant un axe longitudinal, l'extrémité de coupe de l'élément de coupe de front de taille comportant une extrémité externe pratiquement perpendiculaire à l'axe, la couche recouvrant pratiquement l'extrémité externe de l'élément de coupe de front de taille.
- 15. Trépan de forage de terre selon la revendication 11. dans lequel ledit au moins un des éléments de coupe est un élément de coupe de front de taille fixé dans l'un des trous dans la surface de front de taille, le corps de l'élément de coupe de front de taille comportant un axe longitudinal, l'extrémité de coupe de l'élément de coupe de front de taille <Desc/Clms Page number 10> comportant une extrémité externe pratiquement perpendiculaire à l'axe, la couche recouvrant pratiquement l'extrémité externe, la couche comportant une surface de coupe sur un bord pour cisailler une paroi latérale du trou de forage.
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