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TRÉPAN DE FORAGE ROTATIF À LAMES PRÉSENTANT DES
CARACTÉRISTIQUES HYDRAULIQUES ET
DE STABILISATION AMÉLIORÉES DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le forage rotatif de formations souterraines et plus spécifiquement un trépan de forage rotatif présentant des caractéristiques particulièrement avantageuses pour le forage de formations de schiste à forage lent ainsi que pour le forage à taux de pénétration élevé.
ARRIERE-FOND
L'équipement utilisé dans les opérations de forage souterraines est bien connu dans la technique et comprend en général un trépan de forage rotatif fixé à un train de tiges, englobant des tiges de forage et des masses-tiges. Une table rotative ou un autre dispositif, par exemple une unité d'entraînement supérieure, sert à faire tourner le train de tiges à partir d'une plate-forme de forage, entraînant une rotation correspondante du trépan de forage au niveau de l'extrémité libre du train de tiges. Des moteurs de fond entraînés par un fluide sont aussi souvent utilisés, en général en combinaison avec un train de tiges rotatif, mais dans certains cas, ils constituent la seule source de rotation du trépan.
Le train de tiges comporte typiquement un alésage interne s'étendant à partir de la plate-forme de forage au niveau de la surface et l'extérieur du trépan de forage et en communication de fluide avec ceux-ci. Le train de tiges a un diamètre extérieur inférieur au diamètre du puits de forage en cours de forage, définissent un espace annulaire entre le train de tiges et la paroi du puits de forage pour assurer le retour du fluide de forage et des déblais de la formation entraînés vers la surface.
Un trépan de forage rotatif exemplaire englobe un corps de trépan fixé à une queue en acier comportant une connexion filetée mále pour fixer le corps du trépan au train de tiges et un corps ou une couronne comprenant la partie du trépan comportant sur sa partie externe des structures de coupe pour couper la formation de terre. Lorsque le trépan est un trépan à éléments de coupe fixes ou un trépan dit à lames, la structure de coupe englobe plusieurs éléments de coupe englobant des surfaces de coupe composées d'un matériau superabrasif, par exemple de diamant polycristallin, et orientées en général sur la face du trépan dans la direction de la rotation du trépan.
Un corps du trépan à lames est en général composé d'acier usiné ou d'une matrice coulée composée de matériau particulaire dur, par exemple de carbure de tungstène, dans un liant d'alliage à base de cuivre (en général).
Dans le cas de trépans à corps en acier, le corps du trépan est en général usiné, typiquement par l'intermédiaire d'une machine-outil à cinq axes commandée par ordinateur, à partir de ronds, pour lui conférer la forme voulue, englobant des cours d'eau
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internes et des passages pour l'amenée du fluide de forage vers la face du trépan, ainsi que des poches ou des douilles de l'élément de coupe et des nervures, des méplats, des déplacements de buse, des fentes à rebuts et d'autres caractéristiques topographiques externes.
Un rechargement dur est appliqué à la face du trépan et à d'autres zones importantes de l'extérieur du trépan, les éléments de coupe étant fixés à la face du trépan, en général en insérant les extrémités proximales de tiges sur lesquelles sont montés les éléments de coupe dans des ouvertures (douilles) alésées dans la face du trépan, ou, en cas d'utilisation d'éléments de coupe cylindriques, en insérant les substrats dans des poches alésées dans la face du trépan. L'extrémité du corps du trépan opposée à la face est alors filetée, formée et fixée par soudage à la queue du trépan.
Le corps d'un trépan à lames du type à matrice est coulé dans un moule comportant un intérieur configuré de sorte à définir de nombreuses caractéristiques topographiques sur l'extérieur du trépan, des préformes additionnelles étant agencées dans le moule, définissant le restant de ses caractéristiques ainsi que les caractéristiques internes, comme les cours d'eau et les passages. De la poudre de carbure de tungstène et parfois d'autres métaux, destinés à améliorer la ténacité et la résistance aux chocs, sont placés dans le moule sous un liant liquéfiable sous forme de granules.
L'assemblage de moule, englobant une ébauche de trépan en acier comportant une extrémité insérée dans la poudre de carbure de tungstène, est placé dans un four pour liquéfier le liant et former la matrice du corps, l'ébauche du trépan en acier étant intégralement fixée au corps. L'ébauche est ensuite fixée à la queue du trépan par soudage.
Des éléments de coupe superabrasifs, appelés aussi"dispositifs de coupe"ci-dessous, peuvent être fixés à la face du trépan au cours de l'opération de traitement au four lorsque les éléments sont du type dit "thermiquement stable", ou peuvent être fixés par brasure par l'intermédiaire de leurs substrats de support (composés en général de carbure de tungstène cimenté) sur la face du trépan, ou sur des préformes en carbure de tungstène fixées au four dans la face du trépan au cours de l'infiltration.
De tels éléments de coupe superabrasifs englobent des diamants polycristallins compacts (PDC), des diamants polycristallins compacts thermiquement stables (appelés en général TSP, cette abréviation désignant les produits thermiquement stables- Thermally Stable Products ), de diamants naturels et, dans une moindre mesure, de compacts de nitrure de bore cubique.
Au cours d'une opération de forage typique, utilisant un tel trépan rotatif, le fluide de forage est pompé de la surface à travers l'alésage interne du train de tiges vers le trépan (sauf dans une configuration de forage à écoulement inversé, comme décrit dans le brevet US 4368787, dans laquelle le fluide de forage descend le long de l'espace annulaire et remonte le long de l'intérieur du train de tiges).
Dans les trépans conventionnels, le fluide de forage s'écoule hors du trépan de forage à travers une dépression ( crow's foot ) ou à travers une ou plusieurs buses agencées au niveau de la face du trépan ou près de celle-ci en vue de l'élimination des déblais de la formation (c. à. d. des copeaux de matériau enlevé de la formation par les éléments de coupe du trépan de forage) et pour refroidir les
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éléments de coupe, chauffés par frottement au cours de la coupe. Ces deux fonctions sont extrêmement importantes pour assurer la coupe efficace de la formation par le trépan de forage dans le cadre d'un intervalle de forage défendable du point de vue commercial.
Par suite du poids appliqué au trépan (WOB) par le train de tiges, nécessaire pour assurer un taux de pénétration voulu (ROP), et de la chaleur par frottement produite sur les éléments de coupe due au WOB et à la rotation du trépan, les matériaux composant le trépan de forage et en particulier les éléments de coupe fixés à la face du trépan seraient soumis à une dégradation structurale et à une défaillance prématurée s'il n'y avait pas le fluide de forage ou un autre moyen pour refroidir le trépan.
Même s'il était possible de refroidir le trépan sans fluide de forage, sans prévoir de moyen pour éliminer les déblais de la face du trépan, les éléments de coupe (et le trépan) seraient tout simplement engorgés par le matériau coupé de la formation et seraient incapables de s'engager de manière efficace et de pénétrer davantage dans la formation pour faire avancer le puits de forage.
La nécessité d'une élimination efficace des déblais du trépan au cours du forage a été reconnue depuis longtemps dans la technique. De fentes à rebuts formées sur l'extérieur du corps du trépan près de la région de front de taille du trépan établissent des canaux en vue de l'écoulement du fluide de forage à partir de la face du trépan de forage, le long de la région de front de taille et vers l'espace annulaire supérieur, entre le train de tiges et la paroi latérale du puits de forage, appelée en général espace annulaire du puits de forage.
La pression du fluide de forage amené vers les éléments de coupe à travers des buses ou d'autres orifices ou ouvertures doit être suffisante pour surmonter la charge hydrostatique au niveau du trépan de forage, la vitesse d'écoulement devant être suffisante pour transférer le fluide de forage avec les déblais entraînés à travers l'espace annulaire du puits de forage vers la surface.
Un trépan de forage rotatif à lames conventionnel peut comporter plusieurs buses, chacune étant associée à une ou plusieurs lames, les buses dirigeant le fluide de forage pour refroidir et nettoyer les éléments de coupe des lames. Il est possible aussi de prévoir plusieurs fentes à rebuts, positionnées entre les lames et s'étendant le long de la région de front de taille du trépan pour accélérer l'écoulement du fluide de forage le long de chaque lame, à travers sa fente à rebuts respective associée.
Comme la position et l'orientation angulaire de chaque buse sont toutefois en général différentes par rapport à la ligne médiane du trépan, les volumes d'écoulement des buses pouvant varier par suite des caractéristiques hydrauliques des passages internes du trépan amenant le fluide de forage vers les buses, l'importance et l'orientation de l'énergie de l'écoulement du fluide de forage seront différentes d'une fente à rebuts vers la suivante.
Comme une énergie d'écoulement relativement plus élevée établit une zone ou surface adjacente à pression hydraulique relativement réduite, à la manière d'un venturi, le fluide de forage émanant d'une buse particulière, s'écoulant dans un cas idéal le long des éléments de coupe voulus d'une lame particulière et traversant vers le haut la fente à rebuts associée, peut effectivement être tiré ou entraîné vers le bas et même dans une direction latérale
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(circonférentielle), à travers l'extérieur de la lame dans une zone basse pression établie par un jet de fluide d'une autre fente à rebuts.
Certaines fentes à rebuts de trépans conventionnels auront effectivement un écoulement positif ou ascendant de la boue de forage, d'autres ayant par contre un écoulement négatif ou descendant, résultant du détournement ( vol ) d'une partie de l'écoulement du fluide par une zone d'écoulement d'une fente à rebuts adjacente et de la destruction de la configuration d'écoulement voulue et avantageuse dans la fente à rebuts de laquelle le fluide a été dérobé. Les conceptions typiques des trépans de forage selon la technique antérieure englobent en outre des régions d'écoulement stagnantes dans et au-dessus des fentes à rebuts, normalement adjacentes, derrière et au-dessus des lames où il n'y a pas d'écoulement notable de fluide de forage, ni positif ni négatif.
Ces zones d'écoulement bloqué ou stagnant ou"zones mortes"peuvent résulter de tourbillons inattendus ou peu appropriés pouvant faciliter ou même initialiser l'écoulement négatif dans certaines fentes à rebuts ou peuvent résulter d'une conception peu appropriée ne tenant pas compte de l'effet de la topographie du trépan sur l'écoulement du fluide adjacent.
En présence d'une telle configuration perturbée de l'écoulement, les déblais formés au cours du procédé de forage, s'écoulant normalement vers le haut à travers l'espace annulaire, peuvent circuler d'une fente à rebuts à écoulement positif vers une fente à rebuts à écoulement négatif ou peuvent s'accumuler sur place près d'une lame ou au-dessus de celle-ci, entraînant dans tous les cas, en particulier en présence de débits réduits, une agglutination du trépan lors de l'accroissement de la quantité des déblais. En d'autres termes, ces déblais de recyclage ou stationnaires détériorent l'efficacité de coupe des éléments de coupe en empêchant l'accès des éléments de coupe à la formation.
Un écoulement stagnant ou réduit du fluide de forage entraîne en outre un refroidissement moins efficace des éléments de coupe dans les zones où l'écoulement est gêné.
Un agencement destiné à accélérer le dégagement des déblais d'un trépan a consisté à positionner des buses dans la face du trépan de forage pour diriger le fluide de forage à travers les faces des éléments de coupe pour détacher pour l'essentiel les déblais des éléments de coupe, comme décrit dans le brevet US 4913244 attribué à Trujillo. Le brevet US 4794994, attribué à Deane et al., décrit le heurt des éléments de coupe par un écoulement de fluide dirigé vers l'arrière, jaillissant de la formation devant les éléments de coupe. Une autre solution pour éliminer les déblais des éléments de coupe immédiatement après le cisaillement de la formation en les heurtant avec un jet de fluide dirigé vers l'avant depuis l'arrière des éléments de coupe a été décrite dans le brevet US 4883132 attribué à Tibbits.
Cette structure inventive est utilisée dans la série de trépans à lames ChipMaster commercialisés par la Hughes Christensen Company. Un autre agencement pour diriger l'écoulement de fluide sur la face du trépan, destiné à restreindre l'écoulement de fluide sur la face du trépan et à le diriger par l'intermédiaire de barrages à agencement en spirale, a été décrit dans le brevet US 4492277 attribué à Creighton. Une approche encore différente, consistant à balayer la formation directement par du fluide
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émanant des buses sur le trépan, a été décrite dans la demande de brevet européen
0225082 attribuée à Fuller et al.
Dans le cadre d'une tentative consistant à assurer une coupe plus efficace de la formation, on a proposé des trajectoires de fluide de configuration différente, englobant celles décrites dans le brevet US 4887677, attribué à Warren et al., décrivant un diffuseur à élargissement progressif permettant l'écoulement du fluide à travers un étranglement étroit de la trajectoire de fluide en face de l'élément de coupe et hors d'un diffuseur à élargissement progressif, entraînant prétendument une pression notablement réduite en face des éléments de coupe. Le brevet US 4245708, attribué à Cholet et al., décrit une fente à rebuts comportant une buse dirigée vers le haut placée dans une configuration en venturi pour faciliter l'écoulement du fluide de forage à travers la fente à rebuts.
Un agencement similaire a été décrit dans le brevet US 4540055, attribué à Drummond et al., sous forme d'un assemblage de forage à air, dans lequel des buses dirigées vers le haut sont agencées sur une réduction de tiges au-dessus d'un trépan tricônes entre des palettes sur l'extérieur de la réduction de tiges et parallèlement à celles-ci.
Il a également été reconnu dans la technique que l'établissement d'un tourbillon de l'écoulement près des éléments de coupe peut être approprié. Le brevet US 4733735, attribué à Barr et al., décrit par exemple un trépan de forage rotatif comportant une région de surface externe adjacente à la surface avant de chaque lame et formée de sorte à favoriser un écoulement tourbillonnant du fluide de forage à travers les éléments de coupe de cette lame ainsi qu'un recyclage partiel du fluide de forage avant le passage de celui-ci du trépan vers l'espace annulaire. Le brevet US 4848491, attribué à Burridge et al., reconnaît de même qu'un trépan peut être configuré de sorte à former un tourbillon pour recycler une partie du fluide de forage dirigé dans une fente à rebuts par une buse.
Un des procédés et dispositifs plus élaborés pour éliminer la boue de forage, décrit dans le brevet US 4744426, attribué à Redd, englobe un moteur de fond et un "ventilateur"entraînant la boue de forage entourant le trépan de forage. Un tel dispositif comporte toutefois une structure mécanique complexe, accroissant le coût du train de tiges. Le brevet US 5651420, attribué à Tibbits et al., attribué au cessionnaire de la présente invention et incorporé dans la présente description à titre de référence, décrit aussi un certain nombre de structures mobiles ou dynamiques pour des trépans de forage, destinées à faciliter l'élimination des déblais et le nettoyage du trépan.
Le brevet US 5199511, attribué à Tibbits, décrit une configuration de trépan unique, dans laquelle la trajectoire d'écoulement, de l'intérieur du trépan vers une zone située au-dessus de la région de front de taille, est située dans la couronne du trépan, les déblais rentrant dans une zone d'écoulement interne après la coupe avant d'être balayés vers le haut par le fluide de forage.
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Le brevet US 5284215, attribué à Tibbits, décrit une fente à rebuts agrandie et entaillée destinée à favoriser l'écoulement du fluide, cette structure s'étendant vers le haut dans la zone de la queue du trépan au-dessus de la couronne.
Aucun des brevets cités en référence ci-dessus ne fournit toutefois une structure et une trajectoire d'écoulement dirigeant et favorisant un écoulement positif et indépendant du fluide de forage et des déblais entraînés à travers toutes les fentes à rebuts d'un trépan de forage, éliminant pratiquement un écoulement transversal et un détournement entre les fentes à rebuts et réduisant au minimum les zones d'écoulement à stagnation ou mortes dans les zones situées dans les fentes à rebuts et au-dessus de celles-ci, ces zones favorisant l'accumulation des déblais et l'agglutination du trépan. Il serait ainsi avantageux de fournir un trépan de forage et d'autres structures liées au forage présentant des caractéristiques hydrauliques améliorées, offrant de tels avantages.
Une solution des problèmes cités ci-dessus a été proposée par le brevet US 5794725, attribué à Trujillo et al., cédé au cessionnaire de la présente invention et incorporé dans la présente description à titre de référence. Ce brevet décrit une capacité de recyclage dans un certain nombre de formes de réalisation différentes, les trépans selon le brevet s'étant avérés efficaces pour réduire ces problèmes, la configuration du trépan, en particulier en ce qui concerne l'optimisation de sa conception hydraulique, étant toutefois un peu complexe.
Le phénomène ci-dessus d'une agglutination du trépan est devenu un problème plus sérieux au cours des dernières années, par suite de l'utilisation croissante de fluides de forage à base d'eau. Les fluides de forage traditionnels à base d'huile ont été utilisés avec un certain succès pendant des décades pour résoudre le problème de l'agglutination du trépan, leur utilisation étant toutefois de plus en plus limitée en raison de problèmes environnementaux. Les fluides à base d'huile n'empêchent en outre pas toujours une agglutination du trépan.
Dans la technique antérieure, on a souvent essayé de concevoir un trépan en vue de réduire au minimum son agglutination par l'intermédiaire d'un nombre réduit de lames relativement grandes supportant un nombre relativement peu élevé d'éléments de coupe PDC relativement grands (ayant par exemple un diamètre de 19 mm ou de 0,75 pouce) et en utilisant des fentes à rebuts relativement profondes (mesurées radialement).
Le nombre peu élevé d'éléments de coupe et de lames permet une meilleure focalisation de l'énergie hydraulique, les grandes lames assurant un écartement accru de la formation et donc un volume d'espace accru entre la face du trépan et la face de la formation, les fentes à rebuts approfondies facilitant l'élimination des déblais de la formation le long du côté du trépan entre les plaquettes de front de taille, vers le haut, dans l'espace annulaire du puits de forage.
Il a été reconnu récemment, comme décrit dans la demande de brevet US, no. de série 08/934031, attribué à Trujillo et al., cédé au cessionnaire de la présente invention et incorporé dans la présente description à titre de référence, que des zones d'entrée pratiquement équilibrées des fentes à rebuts et des écoulements hydrauliques associés, avec des volumes de déblais de la formation produits
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par les lames associées aux écoulements hydrauliques respectifs des fentes à rebuts, et une répartition méticuleuse (et dans certains cas un équilibrage) des volumes de déblais de la formation entre les lames peuvent être avantageuses pour réduire une agglutination du trépan.
Les travaux de la technique antérieure n'ont toutefois pas tenu compte d'une caractéristique importante de l'agglutination du trépan, reconnue récemment par le présent inventeur : l'agglutination du trépan prend son origine ou débute au niveau de la région du front de taille du trépan et non pas sur la face du trépan. Lorsque la région de front de taille du trépan (c. à. d. une fente à rebuts) est bloquée, le volume des déblais de la formation s'accumule vers le bas, en direction de la face du trépan et sur la face jusqu'à entraîner une agglutination complète du trépan.
Compte tenu de toutes les améliorations récentes offertes par le cessionnaire de la présente invention, il existe toujours dans l'industrie une demande importante, existant depuis longtemps, pour un trépan rotatif à lames pratiquement résistant à une agglutination du trépan dans des formations plastiques, et capable d'assurer un taux de pénétration (ROP) relativement élevé, même dans des formations normalement difficiles, à forage lent, par exemple des formations de schiste.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
La présente invention fournit un trépan rotatif à éléments de coupe fixes ou à lames, présentant une résistance accrue à une agglutination du trépan et assurant un taux de pénétration accru par rapport aux trépans conventionnels.
Le trépan rotatif à lames selon la présente invention englobe une configuration des lames du type tarière, dans laquelle des lames à inclinaison positive, relativement grandes, supportant des éléments de coupe superabrasifs, sont inclinées vers l'avant en porte-à-faux dans la direction de la rotation du trépan pour assurer un dégagement et un volume accru entre la face du trépan et la formation pour faciliter l'élimination des déblais provenant des sommets des éléments de coupe à partir de la face du trépan. Une extrémité arrière externe de chaque lame est pratiquement contiguë à une extrémité avant d'une plaquette de front de taille allongée, agencée en porte-à-faux pour établir une surface de section transversale accrue de la fente à rebuts, comprenant un segment d'une hélice et incliné en rotation vers l'avant, à la manière des lames.
Les longueurs longitudinales des plaquettes de front de taille et des lames, en combinaison avec leurs inclinaisons, établissent une structure de stabilisation, entourant presque complètement la circonférence du corps du trépan. L'inclinaison ou le pas de l'angle d'hélice des plaquettes de front de taille peut être variée en fonction des besoins pour optimiser l'efficacité hydraulique et pour répondre aux exigences du forage directionnel et aux exigences de stabilité.
Le trépan selon la présente invention englobe aussi des buses positionnées sur la face du trépan près des extrémités arrière des lames, ou même agencées partiellement dans celles-ci, orientées vers l'arête avant d'une lame suivant chaque buse respective pour faciliter le nettoyage des
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lames et pour accroître l'énergie hydraulique et les vitesses d'écoulement du fluide le long de la région de front de taille. Le trépan englobe aussi de préférence des éléments de coupe superabrasifs relativement grands, à inclinaison agressive, évidés sur le substrat supportant la table superabrasive par rotation derrière la table pour réduire au minimum le contact du matériau du substrat avec la formation.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Les figures 1A et IB sont des vues en perspective d'une forme de réalisation d'un trépan de forage selon l'invention, inversé par rapport à son orientation de forage normale pour plus de clarté ; la figure 2 est une élévation latérale du trépan de la figure 1, également inversé par rapport à son orientation de forage normale ; la figure 3 est une vue en élévation frontale ou de face, regardant vers le haut sur le trépan de la figure 1, dans son orientation de forage normale ; et les figures 4A à 4E sont respectivement des vues en élévation frontale, latérale, d'en haut, latérale en coupe et transversale oblique d'un élément de coupe superabrasif utilisé de préférence avec le trépan selon la présente invention.
MEILLEURS MODES D'EXECUTION DE L'INVENTION
Comme représenté dans les figures 1 à 4 des dessins, le trépan rotatif à lames 10 selon l'invention comprend un corps de trépan 12 comportant un axe longitudinal ou une ligne médiane L. Le corps du trépan 12 peut être un corps en acier ou un corps à matrice, comme décrit ci-dessus, ou avoir une quelconque autre construction appropriée. Dans la forme de réalisation préférée, le corps du trépan 12 est un corps de trépan à matrice.
Une technique particulièrement utile pour fabriquer un corps de trépan à matrice 12 (pouvant aussi être appliquée au corps en acier) est constituée par une fabrication dite"par couches", dans laquelle une série de couches de matériau superposées verticalement sont définies sous la commande d'un ordinateur pour former une préforme tridimensionnelle poreuse du corps de trépan, infiltrée ensuite avec un liant métallique liquéfié, ceci étant bien connu dans la technique de fabrication de corps de trépan à matrice. Les brevets US 5433280 et 5544550, attribués à Smith, cédés au cessionnaire de la présente invention et décrivant et revendiquant un certain nombre de telles techniques de fabrication par couches, ainsi que des trépans et des composants de trépan formés de cette manière, sont incorporés dans la présente description à titre de référence.
Plusieurs lames s'étendant en général dans une direction radiale 14, au nombre de trois dans cet exemple, débordent au-dessus de la face du trépan 16, définissant des trajectoires de fluide 18 entre chaque lame 14. Les trajectoires de fluide 18 forment des angles extrêmement raides par rapport aux trépans conventionnels, retombant à l'écart de l'axe longitudinal du corps du trépan 12 à un angle d'environ 45 , comme représenté le mieux dans les figures 1A et 2. Les lames 14 sont non seulement très grandes, mais sont aussi inclinées vers l'avant, vu dans la direction de la rotation du trépan.
Une telle
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inclinaison vers l'avant, en combinaison avec la nature en porte-à-faux des lames, en particulier au niveau de leurs extensions radialement externes, établit une cavité de dégagement allongée 20 au-dessous de l'arête devançant en rotation et dans la direction longitudinale ou de l'arête la plus externe 22 de chaque lame 14. En d'autres termes, au moins une partie de chaque lame 14 dépasse une partie de la trajectoire de fluide 18 devançant cette lame ou débordant au-dessus de celle-ci. La cavité de dégagement 20 contribue notablement aux volumes d'espace SVi, SV et SV3, définis respectivement entre une trajectoire de fluide 18, deux lames adjacentes en rotation 14, flanquant cette trajectoire de fluide, et la face d'une formation forée par le trépan 10.
L'inclinaison en rotation vers l'avant des lames 14 fournit en outre une résistance supérieure à celle des lames conventionnelles orientées de manière pratiquement parallèle à la ligne médiane ou à l'axe longitudinal d'un trépan, étant donné que l'absorption d'un impact en présence d'une formation dure, ou plutôt d'un cordon dur, pouvant être rencontré dans certaines formation molles, se fera plus en ligne avec l'orientation de la lame 14.
Plusieurs éléments de coupe superabrasifs 100 sont montés sur les arêtes avant dans la direction longitudinale 22 de chaque lame 14, les éléments de coupe 100 étant de préférence agencés dans les poches 30 s'étendant en rotation vers l'arrière de chaque lame 14, de l'arête avant de celle-ci vers une paroi arrière 32 au niveau de l'extrémité arrière des poches 30. Dans la forme de réalisation préférée, les éléments de coupe 100 sont de préférence des éléments de coupe PDC englobant une table diamantée 102 formée sur un substrat en carbure de tungstène cimenté 104 et reliée à celui-ci (voir figures 4A à 4D), dans des conditions à pression et à température élevées, ceci étant bien connu dans la technique.
Les éléments de coupe 100 sont généralement cylindriques, les poches 30 étant définies par une paroi latérale ayant un rayon légèrement supérieur au diamètre du substrat 104, un composé de brasage (non représenté) étant utilisé pour fixer chaque élément de coupe 100 par l'intermédiaire de son substrat 104 dans sa poche associée 30. Si le corps du trépan 12 était un corps en acier, les éléments de coupe 100 pourraient évidemment être fixés à des tiges allongées, dont les extrémités pourraient être insérées, par exemple par ajustement serré, dans des ouvertures alésées dans les lames 14.
Comme représenté, il est préférable que le nombre des éléments de coupe 100 soit limité et qu'ils aient un diamètre relativement important, par exemple de 19 mm (z 0,75 pouce) ou de 25 mm ( 1 pouce) pour optimiser le déblaiement hydraulique de chaque élément de coupe. Les faces de coupe 106 des éléments de coupe 100 sont pratiquement circulaires, d'autres formes, englobant des formes semi-circulaires, ovales, elliptiques, rectangulaires, triangulaires et d'autres formes polyédriques pouvant toutefois aussi être prévues.
Les faces de coupe circulaires 106 à arêtes vives, ne comportant ni chanfrein notable ni rayon notable sont préférées, conformément aux instructions de la demande de brevet US, no. de série 08/934486, attribué à Tibbits et al, cédé au cessionnaire de la présente invention et incorporé dans la présente description à titre de référence. Des faces de coupe extrêmement lisses, ou"polies", comme décrit dans les brevets US 5447208 et 5653300,
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attribués à Lund et al., cédés au cessionnaire de la présente invention et incorporés dans la présente description à titre de référence, sont également préférées.
Comme décrit plus en détail ci-dessous, en référence à la description des figures 4A à 4E, il est préférable que les substrats 104 des éléments de coupe 100 soient évidées derrière l'arête de coupe 108 de la face de coupe 106 pour réduire au minimum le contact avec la formation. Les éléments de coupe superabrasifs 100 peuvent aussi englober des TSP (par exemple dans un réseau ou un agencement en mosaïque), des diamants naturels ou des compacts de nitrure de bore cubique. Il est toutefois préférable que les éléments de coupe superabrasifs utilisés 100 comportent une face de coupe s'étendant dans deux dimensions, de manière pratiquement transversale à la direction de la rotation du trépan et à une arête de coupe au niveau d'une périphérie externe de la face de coupe.
Une plaquette de front de taille allongée 40 s'étend de manière pratiquement contiguë à partir de chaque lame 14, les plaquettes de front de taille 40 étant chacune inclinées vers l'avant en rotation, à la manière des lames 14, de sorte à définir un segment partiel d'une hélice. Comme représenté, les plaquettes de front de taille 40 ont une largeur pratiquement constante dans la direction transversale à leurs extensions longitudinales et sur une majeure partie correspondante.
Les surfaces de support radialement externes 42 des plaquettes de front de taille peuvent être équipées d'éléments résistants à l'usure, par exemple de briques de carbure de tungstène 43 (représentées sous une forme rectangulaire, des formes circulaires ou d'autres configurations pouvant toutefois aussi être prévues) et de structures de diamant naturel ou de diamant thermiquement stable 45, ou peuvent être pourvues d'un rechargement dur, par exemple d'un matériau projeté par plasma, d'une surface de film diamanté ou d'une autre substance connue dans la technique. Les fentes à rebuts 44, définies entre les plaquettes de front de taille 40, communiquent chacune avec une trajectoire de fluide associée 18 sur une zone de transition à grand rayon 46, renfermée aussi entre des plaquettes de front de taille adjacentes 40.
Une partie de chaque plaquette de front de taille 40 est agencée en porte-àfaux vers l'avant en rotation au-dessus d'une partie de sa fente à rebuts précédant en rotation 44, de sorte à définir une cavité de dégagement 48 au niveau du côté suivant en rotation de cette fente à rebuts 44, communiquant avec la cavité de dégagement 20 de chaque lame 40 pour agrandir la surface de section transversale de la fente à rebuts, transversalement à la direction de l'écoulement, tout en maintenant une surface de support externe radialement agrandie 42. Les fentes à rebuts 44 sont agrandies au niveau de leurs extrémités inférieures 50 par suite d'une réduction au niveau de l'extrémité inférieure 52 dans une direction longitudinale des plaquettes de front de taille 40 pour réduire une quelconque tendance à l'initialisation d'une agglutination du trépan.
Les fentes à rebuts 44 sont ouvertes vers l'extérieur de la queue du trépan 90, pouvant supporter des méplats de vissage 92 comme représenté, au-dessus desquels (le trépan se trouvant dans son orientation pour le forage) des filets extérieurs 94 (normalement des filets API) forment
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une connexion mâle 96 appropriée à un accouplement avec une connexion filetée femelle d'une masse-tige ou d'un arbre de commande d'un moteur.
L'inclinaison ou le pas de l'angle d'hélice des plaquettes de front de taille par rapport à l'axe longitudinal L peut être optimisé, comme indiqué ci-dessus, pour accroître l'efficacité hydraulique, la densité des éléments de coupe et pour répondre aux exigences du forage directionnel et de stabilité.
Dans le cadre de tests d'un trépan configuré selon l'invention, on a par exemple constaté que la configuration du segment hélicoïdal des plaquettes de front de taille 40 a eu tendance, en présence de vitesses de rotation accrues, à réduire la pression appliquée à la face du trépan. Ceci indique que les plaquettes de front de taille semblent assumer ensemble une fonction similaire à un rotor de pompe lors de la rotation du trépan par rapport à la paroi latérale du puits de forage, en entraînant littéralement le fluide de forage avec les déblais de la formation vers le haut, à l'écart de la face du trépan et dans l'espace annulaire du puits de forage.
Une variation de l'angle d'inclinaison de la plaquette de front de taille peut ainsi servir à faciliter cette action de pompage, une inclinaison réduite entraînant une action de pompage plus importante en présence de vitesses de rotation relativement réduites. L'inclinaison peut être exprimée sous forme d'un angle par rapport à l'axe longitudinal L du trépan 10, ou peut être exprimée en degrés de déplacement circonférentiel d'une plaquette de front de taille 40 (et de l'arête radialement externe associée 24 d'une lame 14). Une lame (ou une plaquette de front de taille) ayant une inclinaison de 16 par pouce aurait par exemple une extension circonférentielle de 16 pour chaque pouce d'allongement longitudinal.
Si une lame ou une plaquette de front de taille présentant une telle inclinaison avait ainsi une extension longitudinale de cinq pouces, elle toumerrait ou s'étendrait d'environ 80 sur la circonférence du corps du trépan 12.
Une adaptation spécifique du trépan selon la présente invention au forage directionnel, en particulier à un forage à rayon moyen et court, peut aussi être réalisée en réduisant l'inclinaison des plaquettes de front de taille pour raccourcir le corps du trépan 12, facilitant ainsi la rotation tout en maintenant les caractéristiques de stabilisation citées ci-dessus, ainsi que l'élimination des déblais de la formation de la face du trépan.
Lorsque la stabilité prédomine et que le forage directionnel n'est pas prévu, ou si le forage à rayon long constitue le seul objectif, les plaquettes de front de taille 40 peuvent être allongées, leur inclinaison pouvant être relativement raide pour assurer une plus grande stabilité, tout en maintenant une certaine efficacité de pompage pour améliorer l'élimination du fluide de la face du trépan.
L'inclinaison des plaquettes de front de taille 40 et des arêtes radialement externes 24 des lames 14 peut aussi être optimisée pour accroître la densité des éléments de coupe sur le trépan. Alors que les conceptions de trépans conventionnels accroissent le nombre de lames ou la hauteur des lames pour établir une surface de montage améliorée (c. à. d.
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une longueur de l'arête de la lame) pour le montage des éléments de coupe, la première mesure risquant de compromettre les caractéristiques hydrauliques du trépan et la dernière mesure risquant de réduire la résistance des lames en présence d'un impact, un trépan selon la présente invention peut établir une telle surface de montage améliorée sans addition de lames ou sans accroître la hauteur des lames, en appliquant une inclinaison relativement réduite des arêtes radialement externes des lames 24, en vue d'une extension sur la longueur correspondante, comme représenté clairement dans les figures lA et 1B des dessins. Un trépan à trois lames selon l'invention peut ainsi établir par exemple presque la même densité des éléments de coupe qu'un trépan conventionnel à quatre lames.
On comprendra, tout particulièrement en référence aux figures 2 et 3, que les arêtes radialement externes 24 des lames 14 sont essentiellement radialement adjacentes aux surfaces de support radialement externes 42 des plaquettes de front de taille 40, avec une transition angulaire relativement marquée 26 entre les arêtes avant 22 des lames 14 et les arêtes radialement externes 24. Les arêtes radialement externes associées 24 des lames 14 et les surfaces de support 42 des plaquettes de front de taille 40 entourent ainsi pratiquement la circonférence du corps du trépan 12.
Les plaquettes de front de taille mêmes 40 établissent une surface de support à extension circonférentielle dépassant 270 . Cette grande extension circonférentielle des plaquettes de front de taille permet de concevoir un trépan selon la présente invention sous forme d'un trépan dit"antitourbillonnement", sans exiger une plaquette ou des plaquettes de front de taille excessivement agrandies.
De tels trépans utilisent un vecteur de force intentionnellement non équilibrée et à orientation latérale ou radiale, produit en général par les éléments de coupe du trépan, pour entraîner le déplacement continu d'un côté du trépan contre la paroi latérale du puits de forage pour empêcher un début de tourbillonnement du trépan, un phénomène bien connu, dans le cadre duquel il y a une précession du trépan autour du puits de forage et contre la paroi latérale dans une direction opposée à la direction de rotation du trépan. Un tourbillonnement peut entraîner au moins un puits de forage surdimensionné et à faux-rond et au pire un endommagement des éléments de coupe et du trépan.
Les grandes plaquettes de front de taille allongées du trépan selon la présente invention établissent une surface de support suffisante, de sorte qu'une plaquette de front de taille"de support"excessivement agrandie, destinée à compenser le vecteur de force latéral, comme celle employée dans les trépans anti-tourbillonnement selon la technique antérieure, n'est pas nécessaire. Il faut toutefois noter que le trépan selon la présente invention est entièrement adapté à des conceptions autres que les conceptions antitourbillonnement, et on estime que la stabilité offerte par la conception de coopération de la lame et de la plaquette de front de taille selon la présente invention supprime dans une large mesure une quelconque nécessité de concevoir et de fabriquer un trépan selon la présente invention sous forme d'un trépan anti-tourbillonnement.
Selon l'invention, il est préférable que les plaquettes de front de taille 40 et les arêtes externes 24 des lames 14
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assurent un enveloppement circonférentiel du corps du trépan 12 d'au moins 180 , pouvant atteindre et dépasser des valeurs de 360 (chaque plaquette de front de taille et la surface de support de la lame radialement externe associée chevauchant circonférentiellement une surface de support d'une lame radialement externe et d'une plaquette de front de taille adjacente).
Il faut aussi noter que la surface de support circonférentielle agrandie établie par l'orientation des plaquettes de front de taille 40 et les lames 14 du trépan 10 permet de réduire notablement la largeur W des plaquettes de front de taille 40 (voir figure 2) par rapport aux conceptions des trépans conventionnels, permettant ainsi un accroissement conséquent de la surface circonférentielle ou de la largeur disponible pour les fentes à rebuts 44, en vue d'une nouvelle amélioration des caractéristiques hydrauliques et de la capacité du trépan 10 à éliminer les déblais de la formation de la face du trépan 16.
En d'autres termes, la configuration du segment hélicoïdal des plaquettes de front de taille 40 et des arêtes radialement externes 24 des lames 14 permet une excellente couverture circonférentielle de la région de front de taille par les surfaces de support radiales, sans plaquettes de front de taille de grande largeur. La largeur de chaque plaquette de front de taille est ainsi notablement inférieure à la largeur de chaque fente à rebuts, mesurée dans la même direction.
Le trépan 10 englobe quatre buses 60a-60d, les buses 60a, 60b et 60c étant chacune agencées au-dessus de la face 16 près d'une jonction entre chaque trajectoire de fluide 18 et la lame précédant cette trajectoire de fluide 18, les parties des ouvertures dans lesquelles sont logées les buses 60a à 60c étant agencées dans des surfaces suivant en rotation des lames 14. Les buses 60a à 60c sont orientées de sorte à être au moins partiellement orientées vers la lame 14, suivant en rotation cette buse, une telle orientation étant largement facilitée par la position relativement élevée (dans le sens longitudinal) sur le trépan 10. La buse 60d est agencée pratiquement au centre sur la face du trépan 16 et est légèrement décalée de la ligne médiane ou de l'axe longitudinal L du trépan 10.
Les buses 60a à 60c sont chacune dimensionnées de sorte à amener le fluide de forage vers les trajectoires de fluide 18 à laquelle cette buse respective 60a, 60b ou 60c est associée, de façon pratiquement proportionnelle au volume relatif des déblais de la formation produits par les éléments de coupe 100 sur la lame 14 suivant en rotation cette trajectoire de fluide 18, sous forme d'un pourcentage du volume total des déblais de la formation. En d'autres termes, le volume du fluide de forage est réparti par les buses 60a à 60c entre les volumes d'espace SV [, SVz et SV3 en fonction de la proportion relative du volume des déblais de la formation produits par les lames respectives 14 associées à chaque volume d'espace
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Su !, SV2 et SV3 par rapport au volume total des déblais de la formation.
La buse à agencement pratiquement central 60d peut amener du fluide de forage vers toutes les trajectoires de fluide 18, et donc aux volumes d'espace SV !, SV2 et SV3, quoique la buse 60d puisse être inclinée de sorte à établir un écoulement dominant vers une trajectoire de fluide particulière 18 et un volume d'espace associé SV.
Il faut aussi noter que
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l'écoulement du fluide de forage à partir de chacune des buses 60a à 60c est certes pour l'essentiel orienté radialement vers l'extérieur dans la trajectoire de fluide 18 associée à cette buse, mais qu'un certain écoulement minimal peut passer dans une autre trajectoire de fluide 18, ou bien à travers le centre de la face du trépan autour d'une arête radialement interne d'une lame 14, ou bien au-dessous (le trépan se trouvant dans son orientation de forage) d'une lame 14. Les dimensions des orifices ainsi que les orientations de chacune des buses 60a à 60d peuvent être ajustées pour réduire au minimum un tel écoulement transversal par modélisation informatique et des essais empiriques dans un simulateur de forage ou un puits d'essai, ces deux techniques étant en général connues.
Un procédé spécifique d'ajustement de l'écoulement utilisant une orientation des buses, décrit dans la demande de brevet US, no. de série 08/934031, attribué à Trujillo et al., cédé au cessionnaire de la présente invention et incorporé dans la présente description à titre de référence, peut aussi être appliqué pour faciliter la répartition du volume et la direction de l'écoulement. Les orientations des buses peuvent aussi être ajustées pour diriger un écoulement accru vers un élément de coupe ou des éléments de coupe 100 supportés par une lame particulière 14, ces éléments de coupe exigeant un écoulement de nettoyage additionnel par suite du volume des déblais de la formation produits, ainsi que pour réduire l'écoulement vers des éléments de coupe produisant un volume de déblais inférieur ou non mesurable.
Comme dans le cas des volumes d'écoulement, le volume des déblais de la formation pour un élément de coupe défini 100 peut être déterminé par modélisation informatique ou des essais empiriques dans un simulateur de forage ou un puits d'essai. Une modélisation informatique des caractéristiques d'écoulement d'un trépan optimisé selon la présente invention indique qu'une agglutination réduite ou une accumulation réduite de déblais de la formation dans une ou plusieurs fentes à rebuts 44 affectera l'équilibre de l'écoulement correspondant, mais que, contrairement aux trépans conventionnels, l'initialisation d'une agglutination n'entraînera pas une agglutination aggravée ou sérieuse, avec une occlusion conséquente d'une ou de plusieurs fentes à rebuts 44, suivies par les trajectoires de fluide 18.
Comme représenté dans les figures 4A à 4E des dessins, l'élément de coupe PDC 100 comprend, comme indiqué ci-dessus, une table diamantée 102 formée sur un substrat 104, l'élément de coupe 100 définissant une extension longitudinale entre la partie avant de la table diamantée 102 et la partie arrière du substrat 104. La table diamantée 102 comporte une face de coupe circulaire 106 comportant une arête de coupe périphérique 108 destinée à s'engager dans la formation.
La table diamantée 10 et l'extrémité de support du substrat 104 peuvent être configurées, comme représenté, selon la description de la demande de brevet US, no. de série 08/935931, attribué à Scott et al., cédé au cessionnaire de la présente invention et incorporé dans la présente description à titre de référence, ceci ne constituant toutefois pas une exigence pour l'élément de coupe 100. Comme représenté le mieux dans les figures 4B et 4C, le substrat 104 est certes cylindrique près de son extrémité avant 110 et s'étend vers l'arrière à partir de celle-ci sur
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une partie de paroi latérale cylindrique avant 112 sur une courte distance derrière l'arête de coupe 108, mais il est davantage évide vers l'arrière dans la zone 114, s'étendant vers l'extrémité arrière 116.
Le terme"évidé"ou"évidement"utilisé dans la présente description signifie que la paroi latérale du substrat se situe dans une enveloppe externe définie par la paroi latérale cylindrique, de sorte à être évidée latéralement ou radialement par rapport à l'enveloppe. Dans la forme de réalisation préférée, l'évidement englobe une surface arquée 118 ayant un diamètre similaire au diamètre de la partie de paroi latérale avant 112 près de l'extrémité avant 110, mais est orienté à un angle aigu (un angle de 15 est par exemple représenté) par rapport à l'axe longitudinal 120 de l'élément de coupe
100.
Des méplats à extension longitudinale 112 flanquent la surface arquée 118 pour faciliter la transition vers la partie de paroi latérale cylindrique arrière 124, contiguë à la partie de paroi latérale avant 112. A titre d'exemple, l'élément de coupe représenté 100 comprend un élément de coupe d'un diamètre de 19 mm ( 0, 75 pouce). On comprendra que même en cas d'utilisation d'une inclinaison vers l'avant et vers l'arrière légèrement négative, neutre ou même légèrement positive (appelée aussi en général"inclinaison vers l'arrière") pour les éléments de coupe PDC 100, l'évidement dans la zone 114 réduit au minimum la surface de contact entre les substrats 104 des éléments de coupe 100 et la face de la formation engagée par les éléments de coupe PDC 100.
Le WOB est ainsi davantage concentré sur la table diamantée 102 et la partie de paroi latérale avant 112 de chaque élément de coupe 100, réduisant le WOB requis pour atteindre une DOC définie et réduisant le frottement entre le trépan 10 et la formation ainsi que la production de chaleur peu appropriée résultante et une quelconque tendance conséquente à la production de points chauds du substrat ainsi qu'à une dégradation par la chaleur de la table diamantée. En pratique, on estime que les éléments de coupe PDC 100 peuvent être montés avec leurs faces de coupe 106 à un angle d'inclinaison arrière compris entre 0 et moins 40 . Il est actuellement préféré que l'angle d'inclinaison arrière soit compris entre environ moins 5 et moins 10 .
Un angle de moins 5 est actuellement considéré comme constituant un angle optimal pour le forage lent de formations de schiste à surpression. Les éléments de coupe PDC 100 peuvent aussi être montés avec leurs faces de coupe 106 à un angle d'inclinaison neutre vers l'avant et vers l'arrière, comme indiqué ci-dessus, ou même à un angle d'inclinaison positive.
Les éléments de coupe PDC 100 peuvent être configurés avec des faces de coupe de forme ovale, carrée, en pierre tombale ou d'une quelconque autre forme appropriée.
En vue d'établir une comparaison avec les trépans conventionnels, un trépan prototype de 8,5 pouces selon la présente invention a été utilisé dans des formations de schiste molles et des sable friable et a parcouru en moyenne 60 à 100 pieds par heure sur des grandes parties d'un intervalle de 1700 pieds avec un WOB de 0 à 2.000 livres. Le ROP moyen pour l'intervalle a été de 41 pieds par heure.
A titre de comparaison, le ROP prévu pour un trépan Hughes Christensen ChipMaster devant parcourir l'intervalle a
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seulement été de 12 pieds par heure, sur la base des meilleures performances antérieures dans la zone, dans une formation pratiquement identique et avec utilisation du même système de fluide de forage, l'agglutination du trépan s'étant avérée être un facteur de limitation du ROP.
Lors du forage avec un trépan selon la présente invention et dans le cadre d'un procédé de forage préféré avec de tels trépans, il est possible de contrôler le WOB pour empêcher une agglutination du trépan ou accroître la vitesse de rotation pour améliorer la capacité du trépan à dégager les déblais de la formation lors d'un accroissement du WOB par l'intermédiaire de l'effet de pompage décrit ci-dessus assuré par les plaquettes de front de taille. On estime en outre que pour une profondeur de coupe et un WOB définis, différentes vitesses de rotation peuvent établir un ROP optimal grâce aux caractéristiques hydrauliques améliorées et à la meilleure capacité d'élimination des déblais du trépan conçu selon la présente invention.
Le trépan rotatif à lames selon la présente invention a certes été décrit dans le contexte d'une forme de réalisation préférée, mais il n'y est pas limité. Les hommes de métier comprendront que de nombreuses additions, suppressions et modifications pourront être apportées à la forme de réalisation préférée, sans se départir de l'objectif de l'invention, défini dans les revendications annexées.