BE1013521A3

BE1013521A3 - Element de coupe superabrasif comportant des interfaces arquees entre la table et le substrat.

Info

Publication number: BE1013521A3
Application number: BE9900428A
Authority: BE
Inventors: Arthur A Chaves
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1999-06-18
Publication date: 2002-03-05
Also published as: GB2338732B; GB9913889D0; US6412580B1; ITTO990545A1; US20020112897A1; GB2338732A; US6772848B2; IT1308755B1

Abstract

Un élément de coupe pour le forage de formations souterraines englobe une table superabrasive formée sur une face d'extrémité d'un substrat de support, comportant une interface entre la table et la face d'extrémité, définie par au moins une surfce annulaire centrée autour de la ligne médiane de l'élément de coupe, dans un emplacement adjacent à la périphérie latérale du substrat, la surface annulaire ayant une topographie arquée, avec une orientation et une largeur radiale suffisante pour s'adapter à une charge résultante appliquée à l'arête de coupe de l'élément de coupe au-delà d'une variété d'angles, avec des vecteurs perpendiculaires à la surface en présence d'une variété d'angles, de sorte qu'au moins un vecteur perpendiculaire est aligné de manière partiquement parallèle avec la charge résultante appliquée à l'arête de coupe.

Description


   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   ELÉMENT DE COUPE SUPERABRASIF COMPORTANT DES INTERFACES ARQUÉES
ENTRE LA TABLE ET LE SUBSTRAT DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne en général des trépans rotatifs pour le forage de formations souterraines et plus spécifiquement des éléments de coupe superabrasifs pouvant être utilisés sur de tels trépans, en particulier du type appelé trépan à éléments de coupe fixes ou trépan à lames. 



  TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Les trépans à éléments de coupe fixes ou à lames ont été utilisés dans le forage souterrain pendant de nombreuses décades, différentes tailles, formes et configurations de diamants naturels et synthétiques ayant été utilisées sur les couronnes du trépan à lames comme éléments de coupe. Les éléments de coupe à aggloméré compact de diamant polycristallin (PDC) composés d'une table diamantée formée en présence d'une température et d'une pression très élevées sur un substrat, composé typiquement de carbure de tungstène cimenté (WC) ont été lancés sur le marché il y a environ vingt-cinq ans.

   Les éléments de coupe PDC, avec leurs tables diamantées fournissant une face de coupe bidimensionnelle relativement grande (normalement de forme circulaire, semi-circulaire ou en pierre tombale, d'autres configurations étant toutefois aussi connues) ont offert aux designers des trépans à lames une grande variété de déploiements et d'orientations possibles des éléments de coupe, des configurations de la couronne, des emplacements des buses et d'autres modifications de la conception, irréalisables auparavant avec les diamants naturels plus petits et les diamants synthétiques polyhédriques, non renforcés, utilisés auparavant dans les trépans à lames.

   Avec différentes conceptions des trépans, les éléments de coupe PDC ont permis des progrès notables de l'efficacité du forage et du taux de pénétration (ROP) en cas d'une utilisation dans des formations molles à moyennement dures, les dimensions plus grandes de la face de coupe et l'extension supérieure correspondante ou"l'exposition"au-dessus de la couronne du trépan ayant permis d'atteindre des caractéristiques hydrauliques notablement améliorées du trépan en vue de la lubrification du dispositif de coupe, du refroidissement et de l'élimination des débris de la formation.

   Il a toutefois été impossible de réaliser des progrès de type et d'importance 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 similaire dans la conception du trépan à lames en ce qui concerne la solidité et la longévité des éléments de coupe, en particulier lors du forage de roches présentant une résistance à la compression moyenne à élevée. 



   Les éléments de coupe PDC supportés par un substrat selon l'état de la technique ont présenté une grande sensibilité à l'effritement et à la cassure de la couche de diamant PDC ou de la table lors de l'exposition à l'environnement rigoureux du fond du trou existant lors du forage de formations rocheuses à résistance moyenne à élevée à la compression, libre, 
 EMI2.1 
 de l'ordre de neuf à douze kpsi et plus. Les éléments de coupe PDC s'engagent dans ces formations en présence d'un poids élevé appliqué au trépan (WOB), nécessaire pour forer de telles formations, et en présence de charges d'impact élevées provenant des oscillations de rotation.

   Ces conditions sont aggravées par la charge élevée périodique appliquée aux éléments de coupe et par l'élimination de la charge correspondante lorsque le trépan heurte la surface impitoyable de la formation par suite d'une flexion, d'un rebondissement et d'une oscillation du train de tiges, des tourbillons et des oscillations du trépan et du changement du WOB. Des roches à résistance élevée à la compression ou des formations plus molles contenant des cordons présentant une résistance à la compression différente, plus élevée, peuvent ainsi endommager gravement les tables à diamant PDC, voire même entraîner une défaillance catastrophique de cellesci.

   Les trépans sont en outre exposés à des vibrations et des charges d'impact importantes produites par le déplacement au cours du forage entre des roches présentant des résistances à la compression différentes, par exemple lorsque le trépan rencontre subitement une couche modérément dure après le forage à travers une roche molle. 



   Un endommagement important d'un seul élément de coupe sur une couronne de trépan à éléments de coupe PDC peut réduire fortement l'efficacité du trépan. Lorsque plus d'un élément de coupe est agencé au niveau de l'emplacement radial d'un dispositif de coupe défaillant, la défaillance de l'un d'entre eux peut entraîner rapidement l'application d'une contrainte excessive aux autres et mener à une défaillance à effet "domino". Comme même un endommagement relativement peu important peut accélérer rapidement la dégradation des éléments de coupe PDC, de nombreux opérateurs chargés du forage ont perdu leur confiance dans les trépans à lames à éléments de coupe PDC pour le forage de formations dures et contenant des cordons. 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 



   Il a été reconnu dans la technique que l'arête vive, typiquement de 90 , d'un élément de coupe PDC conventionnel non usé est normalement susceptible à un endommagement au cours de son engagement initial dans la formation dure, en particulier lorsque cet engagement englobe un impact, même relativement peu important. Il a également été reconnu qu'un biseautage ou un chanfreinage préliminaires de l'arête de coupe de la table à diamant PDC assure un certain degré de protection contre un endommagement de l'élément de coupe au cours de l'engagement initial dans la formation, les éléments de coupe PDC s'étant avérés être moins susceptibles à un endommagement après le début de la formation d'un méplat d'usure sur la table diamantée et le substrat. 



   Les brevets USA Re 32036, 4109137, 4987800 et 5016718 décrivent et illustrent des éléments de coupe PDC biseautés ou chanfreinés ainsi que d'autres modifications, par exemple des arêtes arrondies et des arêtes perforées, se réduisant en une configuration du type chanfrein. Le brevet US 5437343 attribué au cessionnaire de la présente demande et incorporée dans la présente description à titre de référence, décrit et illustre une configuration d'une arête de table à diamant PDC à chanfreins multiples, présentant dans certaines conditions une résistance accrue à un endommagement des éléments de coupe par suite d'un impact.

   Le brevet US 5706906 attribué au cessionnaire de la présente demande et incorporé dans la présente description à titre de référence, décrit et illustre des éléments de coupe PDC utilisant une table diamantée relativement épaisse et un très grand chanfrein, ou   une"partie inclinée"au   niveau de la périphérie de la table diamantée. 



   Même les modifications de la configuration de l'arête de l'élément de coupe PDC n'ont pas permis d'éliminer le problème d'un endommagement trop fréquent de l'élément de coupe lors du forage de formations présentant des résistances modérées à élevées à la compression et de formations contenant des cordons. 



   Une autre approche pour améliorer la solidité des éléments de coupe PDC a consisté dans l'utilisation de frontières ou d'interfaces"de configuration différente entre la table diamantée et le substrat de support. Certaines des ces configurations des interfaces sont destinées à améliorer la liaison entre la table diamantée et le substrat, d'autres étant destinées à modifier les types, les concentrations et les emplacements des contraintes (de compression, de traction) existant dans les tables diamantées et les substrats après la production du dispositif 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 de coupe selon un procédé à pression et à température très élevées, ceci étant bien connu dans la technique.

   Des configurations encore différentes des interfaces sont dictées par d'autres objectifs, par exemple par les topographies particulièrement appropriées de la face de coupe. Des configurations additionnelles des interfaces sont utilisées dans les éléments rapportés des éléments de coupe utilisés sur les cônes rotatifs des trépans tri cônes. Des exemples de différentes configurations des 
 EMI4.1 
 interfaces peuvent être trouvés, uniquement à titre d'exemple, dans les brevets US 4109737, 4858707, 5351772, 5460233, 5484330. 5486137, 5494477, 5499688, 5544713, 5605199, 5657449, 5706906 et 5711702. 



   Les faces de coupe ont certes été conçues avec des caractéristiques destinées à s'adapter aux forces appliquées aux éléments de coupe PDC et à diriger celles-ci, comme indiqué par exemple dans le brevet US cité cidessus   5706906,   mais les éléments de coupe PDC selon l'état de la technique n'ont jusqu'à présent pas réussi à s'adapter à de telles forces au niveau de l'interface entre la table et le substrat, entraînant ainsi une susceptibilité à l'effritement et à la cassure dans cette zone. La valeur et la direction de telles forces peuvent certes à première vue sembler prévisibles, une adaptation correspondante paraissant facile, sur la base de l'inclinaison arrière et du WOB du dispositif de coupe, mais cela n'est pas le cas en raison des variables rencontrées au cours d'une opération de forage, comme indiqué ci-dessus.

   Il serait donc indiqué de fournir un élément de coupe PDC comportant une interface entre la table diamantée et la face d'extrémité du substrat capable de s'adapter aux variations importantes de la valeur et de la direction des forces appliquées à l'élément de coupe PDC lors des opérations de forage, en particulier lors du forage de formations contenant une roche à résistance moyenne à élevée à la compression, ou contenant des cordons de telles roches, tout en assurant simultanément une connexion mécanique améliorée entre le diamant et le substrat et un volume suffisant du diamant à travers la face de coupe pour le forage d'un trou de forage étendu. 



  DESCRIPTION DE L'INVENTION
La présente invention répond aux exigences indiquées ci-dessus et englobe des éléments de coupe PDC comportant une interface améliorée entre la table diamantée et le substrat, ainsi que des trépans de forage équipés de tels éléments. 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 



   Les éléments de coupe selon la présente invention se sont certes avérés utiles dans le contexte des éléments de coupe PDC, mais peuvent aussi être de quelconques éléments de coupe utilisant un matériau superabrasif d'un autre type, par exemple du matériau PDC thermiquement stable et des agglomérés compacts de nitrure de bore cubique. Les éléments de coupe selon l'invention englobent dans un sens large des éléments de coupe comportant une table superabrasive formée et montée sur un substrat de support. Un substrat en carbure de tungstène cimenté est certes en général utilisé, mais des substrats composés d'autres matériaux, en plus ou à la place du   WC,   peuvent aussi être utilisés dans l'invention. 



   L'élément de coupe selon l'invention comprend une table comprenant un volume de matériau superabrasif et présentant une face de coupe circulaire, bidimensionnelle, montée sur une face d'extrémité d'un substrat cylindrique. Une interface entre la face d'extrémité du substrat et le volume du matériau superabrasif englobe au moins une surface annulaire de matériau du substrat, définie, en cas d'une coupe prise à travers l'axe longitudinal de l'élément de coupe et parallèlement à celui-ci, par un arc. 



  La surface annulaire est de préférence une surface de révolution sphérique ou sphéroïdale autour de l'axe longitudinal du dispositif de coupe, ou une partie d'un tore transversal à l'axe longitudinal et centré sur celui-ci. 



  En cas d'utilisation d'une surface de révolution sphérique, le centre correspondant coïncide avec l'axe longitudinal ou la ligne médiane du dispositif de coupe. La surface de révolution peut ou non s'étendre au niveau de sa périphérie externe vers le côté du substrat et est délimitée au niveau de sa périphérie interne par une autre surface de révolution. Le centre de la face d'extrémité du substrat, situé dans la surface annulaire de rotation, peut présenter différentes configurations topographiques. La table superabrasive formée au-dessus de la face d'extrémité du substrat y est adaptée le long de l'interface, la surface externe de la table pouvant comporter des caractéristiques, par exemple des chanfreins, ceux-ci étant conventionnels et bien connus dans la technique. 



   La surface annulaire de la face d'extrémité du substrat établit, par suite de sa configuration de section arquée, une interface destinée à s'adapter à une charge   multi-directionnelle résultante appliquée à l'arête   de coupe au niveau de la périphérie de la face de coupe de la table superabrasive. Les charges résultantes au niveau de l'arête de coupe sont en général dirigées à un angle par rapport à l'axe longitudinal ou à la ligne médiane du dispositif de coupe, compris entre environ 200 et environ 

 <Desc/Clms Page number 6> 

 70 . La surface arquée est conçue de sorte qu'un vecteur perpendiculaire au matériau du substrat sera parallèle au vecteur de force appliqué à l'arête de coupe de   l'élément   de coupe et opposé à celui-ci.

   En d'autres termes, comme l'angle de la charge appliquée à l'arête de coupe varie fortement, la surface arquée présente un intervalle de vecteurs perpendiculaires au vecteur de force résultant appliqué à l'arête de coupe, de sorte qu'au moins un des vecteurs perpendiculaires sera en un quelconque moment donné et en présence d'un quelconque angle anticipé résultant de l'application de la force, parallèle à l'application de la charge et opposé à celle-ci. Au niveau de la zone exposée à la contrainte maximale au niveau de l'interface, le matériau superabrasif et le matériau du substrat adjacent seront ainsi comprimés, la surface de l'interface étant pratiquement transversale au vecteur de force, assurant ainsi une répartition avantageuse des contraintes associées et empêchant l'apparition de quelconques contraintes de cisaillement. 



  BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une vue en élévation latérale d'une première forme de réalisation d'un élément de coupe superabrasif selon la présente invention ; la figure 2 est une vue en élévation latérale d'une deuxième forme de réalisation d'un élément de coupe superabrasif selon la présente 
 EMI6.1 
 invention : la figure 3A est une vue en élévation latérale en moitié en coupe d'un substrat de support utilisé dans une troisième forme de réalisation d'un élément de coupe superabrasif selon la présente invention, la figure 3B est une vue en élévation du substrat de la figure   3A,   la figure 3C est une vue en élévation d'en haut du substrat de la figure 3A et la figure 3D et une vue détaillée agrandie en coupe de la zone D de la figure 3A :

   les figures 4 à 16 illustrent, dans des vues en élévation latérales en coupe, des formes de réalisation additionnelles de substrats utilisés dans les éléments de coupe superabrasifs selon la présente invention   :   et la figure 17 est une vue en perspective latérale d'un trépan à lames rotatif équipé d'éléments de coupe selon la présente invention. 



  MEILLEUR (S) MODE (S) D'EXÉCUTION DE L'INVENTION
Une première forme de réalisation 10 de l'élément de coupe selon l'invention sera décrite en référence à la figure 1 des dessins. L'élément 

 <Desc/Clms Page number 7> 

 de coupe 10 englobe un substrat 12 comportant une face d'extrémité 14 sur laquelle est formée une table superabrasive, par exemple une table à aggloméré compact de diamant polycristallin (PDC) 16. Le substrat 12 est représenté dans la vue en élévation latérale avec la table   16,   représentée comme étant transparente (plutôt qu'en coupe, par des lignes hachurées) pour simplifier les explications détaillées de la structure et des avantages de l'invention, les hommes de métier comprenant toutefois que le matériau superabrasif, par exemple le PDC, est opaque. 



   Le substrat 12 a une forme pratiquement cylindrique et un rayon constant autour de la ligne médiane ou de l'axe longitudinal L. La face d'extrémité 14 du substrat 12 englobe une surface annulaire 20 comprenant une surface de révolution sphérique de rayon Ru, comportant une périphérie circulaire interne 22 et une périphérie circulaire externe 24, le centre de la sphère étant situé au niveau du numéro de référence 26, coïncidant avec la ligne médiane ou l'axe longitudinal L. La périphérie interne 22 bute contre une surface annulaire plate 28 s'étendant transversalement par rapport à la ligne médiane ou à l'axe longitudinal L, le centre concave 30 de la face d'extrémité du substrat 14 comprenant une autre surface de révolution sphérique de rayon R2 autour du centre 32, coïncidant aussi avec la ligne médiane ou l'axe longitudinal L.

   La table superabrasive 16 est superposée à la face d'extrémité 14 et est contiguë à celle-ci, s'étendant vers la paroi latérale 34 du substrat 12 et définissant une limite externe linéaire 36 par rapport à celle-ci. La paroi latérale cylindrique 38 de la table 16, ayant le même rayon que le substrat 12, est agencée au-dessus de la limite 36 et s'étend vers une paroi latérale en tronc de cône, effilée vers   l'intérieur 40,   se terminant au niveau de l'arête de coupe 42 sur la périphérie de la face de coupe 44. Comme représenté, l'arête de coupe 42 comporte un chanfrein   46,   ceci étant bien connu dans la technique, sans toutefois constituer une exigence de l'invention. On peut toutefois prévoir typiquement un chanfrein d'une profondeur nominale de 0,254 mm (0, 010 pouce), à un angle de 450.

   Des chanfreins plus grands ou plus petits peuvent aussi être prévus, en fonction de la dureté relative de la formation ou des formations devant être forées et de la nécessité d'utiliser des surfaces chanfreinées d'un élément ou d'éléments de coupe définis pour améliorer la stabilité du trépan ainsi que pour couper la formation.

   L'élément de coupe 10 est représenté dans la figure 1 orienté par rapport à une formation   50,   comme il serait orienté conventionnellement sur la face 52 du trépan 54 (représenté en traits interrompus en vue d'une 

 <Desc/Clms Page number 8> 

 plus grande clarté) au cours du forage, la face de coupe 44 étant en général orientée transversalement à la direction du déplacement de l'élément de coupe lors de la rotation du trépan.   l'élément   de coupe traversant une voie étroite et hélicoïdale lorsque le trépan de forage s'engage dans la formation.

   Selon la technique conventionnelle,   l'élément   de coupe 10 est orienté de sorte que la face de coupe 44 présente une inclinaison arrière négative vers la formation 50, s'inclinant vers l'arrière par rapport à la direction du déplacement de   l'élément   de coupe, d'une ligne perpendiculaire à la voie P du déplacement de l'élément de coupe à travers la formation 50. 



   Lors du déplacement vers l'avant de l'élément de coupe 10 et de son engagement dans la formation à une profondeur de coupe (DOC) dépendant du WOB et des caractéristiques de la formation, l'élément de coupe 10 est chargé au niveau de l'arête de coupe 42 par une force   résultante fur   dépendant du WOB et du couple appliqué au trépan de forage, ce dernier dépendant de la vitesse de rotation du trépan, de la DOC et de la dureté de la formation. Comme indiqué ci-dessus, le WOB instantané, la vitesse de rotation et la DOC peuvent varier fortement, entraînant non seulement des 
 EMI8.1 
 changements importants de la valeur de la force FR mais aussi de l'angle a correspondant par rapport à l'axe longitudinal L de l'élément de coupe. 



  Comme indiqué ci-dessus, dans les conditions de forage générales et même en présence de la variation la plus importante des paramètres de forage et des inclinaisons arrière de l'élément de coupe,   l'angle a   change dans un intervalle compris entre un angle al d'environ 200 et un angle a2 d'environ 
 EMI8.2 
 700.

   Comme il ressort de la figure 1. la surface annulaire 20, comprenant la surface de révolution sphérique ci-dessus, se situe dans une zone où les forces appliquées à l'élément de coupe 10 sont maximales, et présente une orientation de la surface annulaire faisant face à la force   Fry de   sorte que les vecteurs perpendiculaires à la surface 20 sont orientés dans le cadre d'un intervalle allant de   V   à   Vu. cet   intervalle comprenant au moins un vecteur perpendiculaire VNP parallèle à FR et coïncidant avec celle-ci ou très légèrement décalé par rapport à celle-ci, en un quelconque moment donné.

   Cette topographie d'adaptation à la charge de la surface annulaire 20 assure ainsi la répartition de la force FR dans une zone de la face d'extrémité du substrat 14 pratiquement perpendiculaire à   FR. l   faut aussi noter que la zone de la face d'extrémité 14 située dans la surface annulaire 20 est configurée avec la surface annulaire 28 et le centre concave 30 de sorte à établir une profondeur substantielle du 

 <Desc/Clms Page number 9> 

 matériau superabrasif pour la table 16 ainsi qu'un   i nterverroui 11 age   mécanique efficace le long de l'interface entre la table 16 et le substrat 12.

   La présence de la surface annulaire 20, entraînant une profondeur accrue du matériau superabrasif lors de l'approche de la table 16 de sa périphérie, produit une concentration avantageuse de la contrainte de compression résiduelle (résultant de la fabrication) dans la zone de la périphérie de la table où la charge appliquée à l'élément de coupe est maximale et établit un grand volume de matériau superabrasif dans la zone en contact avec la formation, pour réduire ainsi au minimum l'usure de l'élément de coupe. 



   Une autre forme de réalisation 110 de   l'élément   de coupe selon l'invention sera décrite en référence à la figure 2. Les composants de l'élément de coupe 10 également compris dans   l'élément   de coupe 110 sont désignés par les mêmes numéros de référence, pour des objectifs de clarté. 



  L'élément de coupe 10 englobe un substrat 112 comportant une face d'extrémité 114 sur laquelle est formée une table superabrasive, par exemple une table à aggloméré compact de diamant polycristallin (PDC) 116. 



  Le substrat 112 est représenté dans la vue en élévation latérale avec la table   116,   représentée comme étant transparente (plutôt qu'en coupe, avec des lignes hachurées) pour simplifier les explications détaillées de la structure et des avantages de l'invention, les hommes de métier comprenant toutefois que le matériau superabrasif, par exemple le PDC, est opaque. 



   Le substrat 112 a une forme pratiquement cylindrique et un rayon constant autour de la ligne médiane ou de l'axe longitudinal L. La face d'extrémité 114 du substrat 112 englobe une surface annulaire 120 comprenant une surface de révolution sphérique de rayon Ru. comportant une périphérie circulaire interne 122 et une périphérie circulaire externe 124, le centre de la sphère étant situé au niveau du numéro de référence 126, coïncidant avec l'axe longitudinal ou la ligne médiane L. La périphérie interne 122 bute contre une autre surface annulaire 128, comprenant une surface de révolution sphérique de rayon   R, le   centre de la sphère étant situé au niveau du numéro de référence 130, coïncidant avec l'axe longitudinal ou la ligne médiane L.

   La périphérie interne 132 de la surface annulaire 128 bute contre une surface de révolution sphérique arquée encore   différente 134.   de rayon   R,   autour du centre   136,   coïncidant avec l'axe longitudinal ou la ligne médiane L. Il faut noter que la partie la plus élevée de la surface de révolution sphérique 134 se trouve au niveau de la 

 <Desc/Clms Page number 10> 

 même élévation que la périphérie interne 122 de la surface annulaire 120, ceci ne constituant toutefois pas une exigence de l'invention. 



   La table superabrasive 116 est superposée à la face d'extrémité 114 et est contiguë à celle-ci, s'étendant vers la paroi latérale 34 du substrat 112 et définissant une limite externe linéaire 36 avec celle-ci. La paroi latérale en tronc de cône effilée vers l'intérieur 40 de la table 116 commence près de la limite 36 et a le même rayon que le substrat 112. s'étendant au-dessus de la limite 36 vers l'arête de coupe 42 au niveau de la périphérie de la face de coupe 44. Comme représenté, l'arête de coupe 42 comporte un chanfrein 46, ceci étant bien connu dans la technique mais ne constituant pas une exigence de l'invention. 



   Comme dans le cas de l'élément de coupe 10, on comprendra que la surface annulaire 120 de la face d'extrémité 114 du substrat 112 de l'élément de coupe 110 établira un intervalle de vecteurs perpendiculaires suffisant pour assurer l'adaptation à l'intervalle des orientations des forces résultantes appliquées à l'élément de coupe   110,   près de l'arête de coupe   42,   au cours d'une opération de forage, et assure la répartition correspondante au-delà d'une zone de la face d'extrémité 114 pratiquement transversale aux charges appliquées.

   Comme dans le cas de   l'élément   de coupe 10, on comprendra qu'une profondeur notable de matériau superabrasif est maintenue pour la table 116 et qu'un agencement d'interverrouillage symétrique mécaniquement efficace est agencé au niveau de l'interface entre la table 116 et le substrat 112. 



   La figure 3A montre une configuration encore différente de la face d'extrémité du substrat pour un élément de coupe selon la présente invention, dans une vue en coupe, la figure 3B montrant le substrat 212 dans une élévation latérale et la figure 3C étant une élévation d'en haut de la face d'extrémité 214. Comme dans les autres formes de réalisation, le substrat 212 est pratiquement cylindrique et englobe un certain nombre de surfaces annulaires contiguës entourant une surface centrale circulaire sur la face d'extrémité 214. A partir du côté externe du substrat 212, allant vers l'intérieur, s'étend un rebord annulaire ou un épaulement 240, vers l'intérieur de   la surface latérale 234.   rencontrant   1 a surface   annulaire   242,   comprenant une surface de révolution sphérique.

   La surface arquée annulaire 244 est située vers l'intérieur de la surface annulaire 242, dans laquelle est agencée la surface arquée   246,   dans laquelle est agencée une surface de révolution centrale 248. Les surfaces 242, 244 et 246 coïncident pratiquement au niveau de leurs limites mutuelles, la 

 <Desc/Clms Page number 11> 

 transition entre le rebord 240 et la surface annulaire 242 ayant un rayon réduit, mais mesurable 250 (voir la vue détaillée agrandie dans la figure 3D). La transition entre la surface 246 et la surface de révolution centrale 248 a de même un rayon réduit, mais mesurable, 252. 



   Les figures 4 à 16 illustrent un certain nombre d'autres configurations de la face d'extrémité du substrat selon l'invention, étant entendu que les tables superabrasives, par exemple les tables PDC, formées sur celle-ci, établiront des éléments de coupe selon l'invention. 



   La figure 4 est une vue en élévation latérale en coupe d'un substrat pratiquement cylindrique 312 comportant une face d'extrémité 314 comprenant plusieurs surfaces de révolution sphériques adjacentes 320,322, 324,326 et 328, les centres correspondants coïncidant tous avec la ligne médiane ou l'axe longitudinal L du substrat 312. Dans cette figure et dans les figures suivantes, les extensions des surfaces de révolution sphériques effectives de la face d'extrémité dans le plan du papier ont été représentées par des tirets en vue d'une meilleure compréhension de la nature sphérique correspondante. 



   La figure 5 est une élévation latérale en coupe d'un substrat pratiquement cylindrique 412 comportant une face d'extrémité 414 comprenant une seule surface de révolution annulaire externe sphérique   420,   entourant une surface de révolution conique orientée vers le haut 422, les centres des deux surfaces de révolution se situant sur la ligne médiane ou l'axe longitudinal L du substrat 412. 



   La figure 6 est une vue en élévation latérale en coupe d'un substrat pratiquement cylindrique 412a comportant une face d'extrémité 414a, comprenant une seule surface de   révolution annulaire sphérique   externe 420, entourant une surface de révolution en tronc de cône orientée vers le haut 424, entourant à son tour une surface de révolution sphérique convexe 426. Les trois surfaces de révolution comportent des centres coïncidant avec la ligne médiane ou l'axe longitudinal L du substrat 412a. 



   La figure 7 est une vue en élévation latérale en coupe d'un substrat pratiquement cylindrique 412b comportant une face d'extrémité 414b, comprenant une seule surface de révolution annulaire sphérique externe 420, entourant une surface de révolution en tronc de cône orientée vers le haut 424, entourant à son tour une surface circulaire centrale 428. Les deux surfaces de révolution comportent des centres coïncidant avec la ligne médiane ou l'axe longitudinal L du substrat 412b. 

 <Desc/Clms Page number 12> 

 



   La figure 8 est une vue en élévation latérale en coupe d'un substrat pratiquement cylindrique 412c comportant une face d'extrémité 414c, comprenant une seule surface de révolution annulaire sphérique externe 420, entourant plusieurs rainures annulaires concentriques 430 comportant des nervures 432 entre elles, les éléments de la face d'extrémité étant centrés autour de la ligne médiane ou de l'axe longitudinal L. 



   La figure 9 et une vue en élévation latérale en coupe d'un substrat pratiquement cylindrique 512 comportant une face d'extrémité 514 comprenant une surface hémisphérique centrale   522,   contiguë à une surface annulaire concave 520 et entourée par celle-ci, composée d'une partie d'un tore à section circulaire centré autour de la ligne médiane ou de l'axe longitudinal L du substrat 512. 



   La figure 10 est une vue en élévation latérale en coupe d'un substrat pratiquement cylindrique 512a similaire au substrat 512, comportant une face d'extrémité 514a comprenant une surface hémisphérique centrale 522, contiguë à une surface annulaire 510 et entourée par celle-ci, composée d'une partie d'un tore de section circulaire. La surface hémisphérique 522 est toutefois coupée par une surface de révolution sphérique plus petite 524 définissant un évidement central ou une concavité. 



   D'autres combinaisons de substrats comportant des faces d'extrémité composées de différentes combinaisons de surfaces de révolution sphériques, toroïdales et linéaires sont illustrées dans les figures 11 à 15. Comme dans les figures 4 à 10 ci-dessus, les surfaces de révolution sphériques et les tores, dont les parties composent les surfaces du substrat, sont représentées dans la plupart des cas par des tirets pour des objectifs de clarté, tout comme les centres de certaines éléments. 



   Les surfaces de révolution sphériques ont été désignées par un"S", les tores par un"T"et les surfaces de révolution linéaires par"LS". 



   On comprendra aussi que les surfaces de révolution sphériques peuvent être remplacées, comme indiqué ci-dessus, par des surfaces de révolution sphéroïdales. comme représenté dans la figure 16. montrant un substrat 612 comportant une surface de révolution en ellipse E sur sa face d'extrémité 614. D'autres surfaces de révolution non linéaires, ou arquées, peuvent aussi être prévues en fonction des besoins, dans une orientation similaire ou transversale à celle représentée dans la figure 16. 



   La figure 17 représente un trépan à lames rotatif équipé d'éléments de coupe C selon la présente invention. 

 <Desc/Clms Page number 13> 

 



   On comprendra que la référence faite dans la présente description à des surfaces"annulaires", n'est pas limitée à des surfaces définissant un anneau complet ou une bague complète. Un anneau partiel dans la zone de la face d'extrémité du substrat, orientée de sorte à s'adapter à la charge résultante appliquée à l'arête de coupe, est par exemple compris dans l'objectif de la présente invention. Une surface annulaire discontinue ou segmentée est de même incluse.

   Une topographie de   surface "arquée" englobe   en outre des surfaces courbées selon un rayon constant, par exemple des surfaces de révolution sphériques et des tores de section circulaire, ainsi que des surfaces de révolution sphériques, comme celles englobant des composants ayant par exemple deux rayons distincts autour des centres, et englobe en outre des surfaces non linéaires mais courbées selon des rayons variables ou variables en continu ou par intermittence. 



   La présente invention a certes été décrite en référence à certaines formes de réalisation exemplaires, mais les hommes de métier comprendront qu'elle n'y est pas limitée. De nombreuses additions, suppressions et modifications peuvent être apportées à l'invention décrite ci-dessus, des combinaisons des caractéristiques des différentes formes de réalisation décrites pouvant aussi être prévues sans se départir de l'objectif de l'invention défini par les revendications.

Claims

REVENDICATIONS 1. Elément de coupe pour le forage d'une formation souterraine, comprenant : un substrat comportant une ligne médiane longitudinale et une face d'extrémité pratiquement circulaire comprenant au moins une surface annulaire de forme arquée, prise dans une section radiale, longitudinalement parallèle à la ligne médiane : et un volume de matériau superabrasif disposé au-dessus de la face d'extrémité et comportant une face de coupe bidimensionnelle espacée de la face d'extrémité du substrat, la face de coupe comportant une arête de EMI14.1 coupe périphérique.
2.

Elément de coupe selon la revendication 1, dans lequel au moins une surface annulaire comporte une périphérie radialement interne, l'arête de coupe étant arquée et ayant un rayon à partir de la ligne médiane identique ou supérieur à celui de la périphérie radialement interne de la au moins une surface annulaire.
3. Elément de coupe selon la revendication 2, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une périphérie radialement externe, l'arête de coupe étant agencée radialement vers l'intérieur de la périphérie radialement externe.
4. Elément de coupe selon la revendication 1, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une surface de révolution sphérique.
5. Elément de coupe selon la revendication 4, dans lequel la surface de révolution sphérique comporte un centre coïncidant avec la ligne médiane.
6. Elément de coupe selon la revendication 1, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une surface de révolution sphéroïdale.
7. Elément de coupe selon la revendication 1, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une surface partielle d'un tore centré autour de la ligne médiane et transversal à celle-ci.
8. Elément de coupe selon la revendication 7, dans lequel la surface partielle dudit tore est concave.
9. Elément de coupe selon la revendication 7, dans lequel la surface partielle dudit tore est convexe. <Desc/Clms Page number 15>
10. Elément de coupe selon la revendication 1, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une périphérie radialement externe, au moins une partie de celle-ci coïncidant avec une périphérie externe de la face d'extrémité.
11. Elément de coupe selon la revendication 1, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une périphérie radialement externe, au moins une partie de celle-ci étant espacée d'une périphérie externe de la face d'extrémité.
12. Elément de coupe selon la revendication 1, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une périphérie radialement interne, dans laquelle est agencé un évidement.
13. Elément de coupe selon la revendication 12, dans lequel l'évidement comprend au moins une surface de révolution sphérique comportant un centre coïncidant avec la ligne médiane.
14. Elément de coupe selon la revendication 13, dans lequel la au moins une surface de révolution sphérique coupe la ligne médiane.
15. Elément de coupe selon la revendication 14, englobant en outre au moins une deuxième surface annulaire agencée entre la surface annulaire et la au moins une surface de révolution sphérique.
16. Elément de coupe selon la revendication 15, dans lequel la deuxième surface annulaire est plate et est transversale à la ligne médiane.
17. Elément de coupe selon la revendication 13, dans lequel l'évidement comprend au moins une autre surface de révolution sphérique comportant un centre coïncidant avec la ligne médiane et définissant une deuxième surface annulaire.
18. Elément de coupe selon la revendication 13, dans lequel l'évidement comprend une deuxième surface annulaire.
19. Elément de coupe selon la revendication 18, dans lequel la deuxième surface annulaire a une section radiale arquée, prise parallèlement à la ligne médiane.
20. Elément de coupe selon la revendication 16, dans lequel la deuxième surface annulaire comprend une surface partielle d'un tore centré autour de la ligne médiane et transversal à celle-ci.
21. Elément de coupe selon la revendication 16, dans lequel la deuxième surface annulaire comprend une surface en tronc de cône. <Desc/Clms Page number 16>
22. Elément de coupe selon la revendication 12, dans lequel l'évidement comprend une surface en tronc de cône.
23. Elément de coupe selon la revendication 22, dans lequel la surface en tronc de cône entoure une surface circulaire.
24. Elément de coupe selon la revendication 23. dans lequel la surface circulaire est plate et transversale à la ligne médiane.
25. Elément de coupe selon la revendication 23. dans lequel la surface circulaire comprend plusieurs rainures concentriques.
26. Elément de coupe selon la revendication 12, dans lequel l'évidement comprend une surface conique.
27. Elément de coupe selon la revendication 12, dans lequel l'évidement comprend une surface circulaire.
28. Elément de coupe selon la revendication 27. dans lequel la surface circulaire comprend plusieurs rainures concentriques.
29. Elément de coupe selon la revendication 1, dans lequel la au moins une surface annulaire comprend une surface de révolution sphérique comportant un centre coïncidant avec la ligne médiane. la face d'extrémité englobant en outre une deuxième surface de révolution sphérique ayant un rayon inférieur à celui de la surface de révolution sphérique et le même centre.
30. Elément de coupe selon la revendication 1, dans lequel la au moins une surface annulaire comprend une surface partielle d'un tore centré autour de la ligne médiane et transversale à celle-ci, la face d'extrémité englobant en outre une surface de révolution sphérique comportant un centre coïncidant avec la ligne médiane.
31. Elément de coupe selon la revendication 30, dans lequel la surface de révolution sphérique s'étend à travers la ligne médiane et coïncide tangentiellement au niveau d'une périphérie radialement externe avec une périphérie radialement interne de la surface partielle dudit tore.
32. Elément de coupe selon la revendication 30, englobant en outre une deuxième surface de révolution sphérique ayant un centre coïncidant avec la ligne médiane et ayant un rayon inférieur à celui de la surface de révolution sphérique.
33. Elément de coupe selon la revendication 32, dans lequel la deuxième surface de révolution sphérique s'étend à travers la ligne médiane. <Desc/Clms Page number 17>
34. Elément de coupe selon la revendication 30, dans lequel la surface de révolution sphérique s'étend à travers la ligne médiane.
35. Elément de coupe selon la revendication 30, englobant en outre une surface en tronc de cône agencée entre la surface partielle dudit tore et la surface de révolution sphérique.
36. Elément de coupe selon la revendication 1, dans lequel la au moins une surface annulaire comprend plusieurs surfaces annulaires concentriques, comprenant chacune une surface partielle d'un tore centré autour de la ligne médiane et transversal à celle-ci.
37. Elément de coupe selon la revendication 36, dans lequel les tores ont une section radiale circulaire, les centres correspondants se situant sur un rayon commun transversal à la ligne médiane.
38. Elément de coupe selon la revendication 37. dans lequel les rayons des sections des tores sont identiques.
39. Elément de coupe selon la revendication 36, dans lequel les tores ont une section radiale circulaire, les centres correspondants se situant sur des rayons à décalage longitudinal, transversaux à la ligne médiane.
40. Trépan de forage pour le forage d'une formation souterraine, comprenant : un corps de trépan comportant une face au niveau d'une extrémité correspondante et une structure au niveau d'une extrémité opposée pour connecter le trépan à un train de tiges ; et au moins un élément de coupe monté sur le corps de trépan, au-dessus de la face du trépan, et comprenant : un substrat comportant une ligne médiane longitudinale et une face d'extrémité pratiquement circulaire comprenant au moins une surface annulaire de forme arquée, prise en section radiale, longitudinalement EMI17.1 parallèle à la ligne médiane ; et un volume de matériau superabrasif disposé au-dessus de la face d'extrémité et comportant une face de coupe bidimensionnelle espacée de la face d'extrémité du substrat, la face de coupe comportant une arête de coupe périphérique.
41. Trépan de forage selon la revendication 40, dans lequel au moins une surface annulaire comporte une périphérie radialement interne, l'arête de coupe étant arquée et ayant un rayon à partir de la ligne médiane identique <Desc/Clms Page number 18> ou supérieur à celui de la périphérie radialement interne de la au moins une surface annulaire.
42. Trépan de forage selon la revendication 41, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une périphérie radialement externe, l'arête de coupe étant agencée radialement vers l'intérieur de la périphérie radialement externe.
43. Trépan de forage selon la revendication 40, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une surface de révolution sphérique.
44. Trépan de forage selon la revendication 43, dans lequel la surface de révolution sphérique comporte un centre coïncidant avec la ligne médiane.
45. Trépan de forage selon la revendication 40, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une surface de révolution sphéroïdale.
46. Trépan de forage selon la revendication 40, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une surface partielle d'un tore centré autour de la ligne médiane et transversal à celle-ci.
47. Trépan de forage selon la revendication 46, dans lequel la surface partielle dudit tore est concave.
48. Trépan de forage selon la revendication 46, dans lequel la surface partielle dudit tore est convexe.
49. Trépan de forage selon la revendication 40, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une périphérie radialement externe, au moins une partie de celle-ci coïncidant avec une périphérie externe de la face d'extrémité.
50. Trépan de forage selon la revendication 40, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une périphérie radialement externe, au moins une partie de celle-ci étant espacée d'une périphérie externe de la face d'extrémité.
51. Trépan de forage selon la revendication 40, dans lequel la au moins une surface annulaire comporte une périphérie radialement interne, dans laquelle est agencée un évidement.
52. Trépan de forage selon la revendication 51, dans lequel l'évidement comprend au moins une surface de révolution sphérique comportant un centre coïncidant avec la ligne médiane.
53. Trépan de forage selon la revendication 52, dans lequel la au moins une surface de révolution sphérique coupe la ligne médiane. <Desc/Clms Page number 19>
54. Trépan de forage selon la revendication 53, englobant en outre au moins une deuxième surface annulaire agencée entre la au moins une surface annulaire et la au moins une surface de révolution sphérique.
55. Trépan de forage selon la revendication 54, dans lequel la deuxième surface annulaire est plate et est transversale à la ligne médiane.
56. Trépan de forage selon la revendication 52, dans lequel l'évidement comprend au moins une autre surface de révolution sphérique comportant un centre coïncidant avec la ligne médiane et définissant une deuxième surface annulaire.
57. Trépan de forage selon la revendication 53, dans lequel l'évidement comprend une deuxième surface annulaire.
58. Trépan de forage selon la revendication 57, dans lequel la deuxième surface annulaire a une section radiale arquée, prise parallèlement à la ligne médiane.
59. Trépan de forage selon la revendication 55, dans lequel la deuxième surface annulaire comprend une surface partielle d'un tore centré autour de la ligne médiane et transversal à celle-ci.
60. Trépan de forage selon la revendication 55, dans lequel la deuxième surface annulaire comprend une surface en tronc de cône.
61. Trépan de forage selon la revendication 51, dans lequel l'évidement comprend une surface en tronc de cône.
62. Trépan de forage selon la revendication 61, dans lequel la surface en tronc de cône entoure une surface circulaire.
63. Trépan de forage selon la revendication 62, dans lequel la surface circulaire est plate et transversale à la ligne médiane.
64. Trépan de forage selon la revendication 62, dans lequel la surface circulaire comprend plusieurs rainures concentriques.
65. Trépan de forage selon la revendication 51, dans lequel l'évidement comprend une surface conique.
66. Trépan de forage selon la revendication 51. dans lequel l'évidement comprend une surface circulaire.
67. Trépan de forage selon la revendication 66, dans lequel la surface circulaire comprend plusieurs rainures concentriques.
68. Trépan de forage selon la revendication 40, dans lequel la au moins une surface annulaire comprend une surface de révolution sphérique <Desc/Clms Page number 20> comportant un centre coïncidant avec la ligne médiane, la face d'extrémité englobant en outre une deuxième surface de révolution sphérique ayant un rayon inférieur à celui de la surface de révolution sphérique et le même centre.
69. Trépan de forage selon la revendication 40, dans lequel la au moins une surface annulaire comprend une surface partielle d'un tore centré autour de la ligne médiane et transversale à celle-ci, la face d'extrémité englobant en outre une surface de révolution sphérique comportant un centre coïncidant avec la ligne médiane.
70. Trépan de forage selon la revendication 69. dans lequel la surface de révolution sphérique s'étend à travers la ligne médiane et coïncide tangentiellement au niveau d'une périphérie radialement externe avec une périphérie radialement interne de la surface partielle dudit tore.
71. Trépan de forage selon la revendication 69. englobant en outre une deuxième surface de révolution sphérique ayant un centre coïncidant avec la ligne médiane et ayant un rayon inférieur à celui de la surface de révolution sphérique.
72. Trépan de forage selon la revendication 71, dans lequel la deuxième surface de révolution sphérique s'étend à travers la ligne médiane.
73. Trépan de forage selon la revendication 69, dans lequel la surface de révolution sphérique s'étend à travers la ligne médiane.
74. Trépan de forage selon la revendication 73, englobant en outre une surface en tronc de cône agencée entre la surface partielle dudit tore et la surface de révolution sphérique.
75. Trépan de forage selon la revendication 40. dans lequel la au moins une surface annulaire comprend plusieurs surfaces annulaires concentriques, comprenant chacune une surface partielle d'un tore centré autour de la ligne médiane et transversal à celle-ci.
76. Trépan de forage selon la revendication 75, dans lequel les tores ont une section radiale circulaire, les centres correspondants se situant sur un rayon commun transversal à la ligne médiane.
77. Trépan de forage selon la revendication 76, dans lequel les rayons des sections des tores sont identiques.
78. Trépan de forage selon la revendication 75, dans lequel les tores ont une section radiale circulaire, les centres correspondants se situant sur des rayons à décalage longitudinal, transversaux à la ligne médiane.