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Outil pour le forage de puits L'invention concerne le forage de puits cylindriques, en particulier de puits cylindriques de grande profondeur tels que des puits de mine, des puits de pétrole et des puits de gaz.
L'invention concerne plus particulièrement un outil pour le forage de tels puits, comprenant un trépan rotatif et un organe de jonction du trépan à un moteur.
Les trépans rotatifs pour le forage des puits profonds tels que les puits de pétrole et les puits de mine sont bien connus en technique. Ils comprennent, de manière générale, un corps de révolution qui porte, sur sa face latérale périphérique et sur sa face avant, des éléments tranchants destinés à l'attaque de la roche. Pour forer un puits, on couple le corps du trépan à un moteur et on manoeuvre l'ensemble constitué du trépan et de son moteur au départ d'une tour de forage ou derrick situé hors du puits.
Il peut arriver que le trépan se coince dans le puits en cours de formation. Cet incident n'est pas rare dans des formations rocheuses fortement fracturées, en terrain dur ou mi-dur. Il peut notamment être provoqué par le déplacement intempestif d'une plaque du massif rocheux sous l'action du fluide de forage. Un coincement du trépan peut également être le résultat d'un éboulement de roche dans le puits, par exemple sous l'effet des
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vibrations générées par l'opération de forage dans le puits, ou sous l'action de la pression d'un fluide (eau, pétrole ou gaz, par exemple) dans les pores du massif rocheux.
Le décoincement du trépan est généralement difficile.
Dans certains cas, il se révèle impossible et il est alors nécessaire d'abandonner le trépan dans le puits et de dévier le forage du puits, au moyen d'un autre trépan.
L'abandon d'un trépan coincé dans un puits constitue évidemment une perte matérielle. Pour réduire cette perte matérielle, on a cherché à récupérer le moteur du trépan coincé. Un moyen proposé à cet effet consiste à coupler le moteur au trépan par l'intermédiaire d'un organe de jonction comprenant une pièce de rupture conçue pour se rompre sous l'effet d'une force de traction calibrée.
Dans les document US-A-4728124 et FR-A-2244904, l'organe de jonction comprend un embout d'arbre fixé au trépan et un ambout d'arbre fixé au moteur ; deux embouts d'arbres étant disposés dans le prolongement l'un de l'autre et solidarisés l'un à l'autre par l'intermédiaire de la pièce de rupture précitée. Ce moyen connu a le désavantage d'allonger la liaison du moteur au trépan, de réduire la rigidité de cette liaison et, par voie de conséquence, d'augmenter le risque de coincement du trépan dans le puits.
L'invention vise à remédier à cet inconvénient des outils de forage connus, en fournissant un outil de forage de conception nouvelle, dans lequel la rigidité de la liaison du trépan au moteur n'est pas affaiblie par l'organe de jonction muni d'une pièce de rupture.
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En conséquence, l'invention concerne un outil pour le forage de puits, comprenant un trépan rotatif et un organe de jonction du trépan à un moteur, dans lequel le trépan comprend un corps de révolution, portant des éléments tranchants sur sa face latérale et l'organe de jonction comprend une pièce de rupture sous l'action d'une force de traction calibrée, exercée entre le trépan et le moteur ; l'invention, l'outil se caractérise en ce que l'organe de jonction est logé dans une chambre ménagée axialement dans le corps du trépan.
Le trépan selon l'invention comprend, de manière connue en soi, un corps portant des éléments tranchants. Le corps est de révolution. Il est habituellement cylindrique ou tronconique. Il est habituellement en acier ou en carbure métallique, bien que toute autre matière compatible avec la destination du trépan puisse convenir.
Le corps du trépan selon l'invention porte des éléments tranchants sur sa face latérale et sur sa face avant. Par définition, la face avant du corps est celle qui est amenée à faire face au front de taille du puits pendant une utilisation normale du trépan. La face latérale du corps est celle qui fait face à la paroi du puits en cours de forage.
Les éléments tranchants sont destinés à l'attaque de la roche du puits. Ils ne sont pas critiques pour la définition et la réalisation de l'invention et peuvent avantageusement être sélectionnés parmi les éléments des types PDC, TSP et IMPREGNE qui sont bien connus en technique de forage de puits.
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Le corps du trépan selon l'invention est destiné à être couplé à un moteur au voisinage de sa face arrière. On entend désigner par face arrière du corps, la face de celui-ci, qui est dirigée vers l'extrémité ouverte du puits en cours de forage.
Le couplage du moteur au corps du trépan est réalisé par l'intermédiaire d'un organe de jonction comprenant une pièce de rupture. La pièce de rupture solidarise la jonction du moteur au corps du trépan et elle est calibrée pour se briser et désolidariser cette jonction dès qu'un effort de traction de grandeur définie est exercé entre le moteur et le trépan. Des organes de jonction comprenant une pièce de rupture sont communément utilisés dans les outils servant au forage de puits et sont dès lors bien connus en technique.
Dans l'outil de forage selon l'invention, l'organe de jonction et sa pièce de rupture ne sont pas critiques pour la réalisation de l'invention.
Conformément à l'invention, l'organe de jonction est logé dans une chambre qui est ménagée dans le corps du trépan.
Cette particularité constructive de l'outil de forage selon l'invention réalise un couplage direct du moteur au corps du trépan, sans arbre intermédiaire. Il en résulte le double avantage d'un encombrement réduit, d'une part, et d'une rigidité optimum du couplage, d'autre part, ce qui réduit les risques de coincement du trépan dans le puits.
Dans une forme de réalisation particulière du trépan selon l'invention, l'organe de jonction comprend un noyau cylindrique ou tronconique cylindrique qui est ajusté
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dans la chambre et la pièce de rupture comprend au moins une cheville solidarisant le noyau au corps du trépan.
Dans une première variante de cette forme de réalisation particulière de l'invention, la cheville relie radialement le noyau au corps du trépan. Dans cette variante de l'invention, la rupture de la cheville se fait par cisaillement, dès que l'effort de traction entre le moteur et le corps du trépan excède une valeur définie. Un exemple d'organe de jonction conforme à cette variante de réalisation de l'invention est accessible dans le document FR-A-2244904.
Dans une seconde variante de la forme de réalisation particulière susdite de l'invention, la cheville relie axialement le noyau au corps du trépan. Dans cette variante de l'invention, la rupture de la cheville se fait en traction, dès que l'effort de traction entre le moteur et le corps du trépan excède une valeur définie.
Un exemple d'organe de jonction conforme à cette variante de réalisation de l'invention est accessible dans le document US-A-4728124.
Dans la forme de réalisation particulière de l'invention, décrite ci-dessus et ses deux variantes d'exécution, on recommande d'utiliser plusieurs chevilles, de préférence au moins trois chevilles, qui sont réparties uniformément autour de l'axe de la chambre.
L'outil selon l'invention convient pour le forage de tout type de puits. Il est spécialement conçu pour le forage de puits de grande profondeur pour l'exploitation de
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gisements souterrains de matières premières, particulièrement des puits de mine, des puits de pétrole et des puits de gaz.
L'invention concerne dès lors également l'utilisation de l'outil conforme à l'invention pour le forage de puits de mine, de pétrole ou de gaz.
Des particularités et détails de l'invention vont apparaître au cours de la description suivante des figures, qui représentent une forme de réalisation particulière de l'outil de forage selon l'invention.
La figure 1 montre, en section axiale longitudinale, une forme de réalisation préférée de l'outil de forage selon l'invention; La figure 2 est une section transversale selon le plan II-II de la figure 1; La figure 3 est une section transversale selon le plan III-III de la figure 1.
Dans ces figures, des mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
L'outil selon l'invention, représenté aux figures comprend un trépan rotatif pour le forage de puits cylindriques. Le trépan comprend un corps de révolution 1 en acier. Le corps 1 porte des éléments tranchants 2 sur sa face avant 3 et sur sa face latérale 4. A l' arrière
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des éléments tranchants 2, la face latérale 4 du corps 1 porte des nervures longitudinales 5.
Les éléments tranchants 2 sont avantageusement du type PDC. Les nervures 5 forment entre elles des cannelures qui sont destinées à la circulation d'un fluide de forage et des débris de roches depuis le front de taille vers la sortie du puits. Elle peuvent avoir un profil longitudinal ou hélicoïdal.
Conformément à l'invention, une chambre cylindrique 6 est ménagée à l'intérieure du corps 1 du trépan. La chambre 6 est de révolution autour de l'axe longitudinale 13 du corps 1 du trépan. La chambre 6 sert à recevoir un organe pour la jonction du trépan à un moteur, non représenté.
Cet organe de jonction comprend un noyau cylindrique 7 qui se trouve engagé dans la chambre 6 du trépan. Le noyau 7 est immobilisé axialement contre deux épaulement 8 de la paroi de la chambre 6. Il est en outre solidarisé au corps 1 du trépan dans le sens rotatoire, au moyen d'un assemblages par rainures et cannelures longitudinales 9. Six chevilles 10, uniformément répartie à la périphérie du noyau 7, relient axialement celui-ci au corps 1 du trépan. Les chevilles 10 servent à retenir le noyau 7 contre les deux épaulement 8 de la chambre 6.
L'extrémité arrière 11 du noyau 7 déborde légèrement l'extrémité arrière 12 du corps 1 du trépan. Elle est taraudée, pour permettre sa jonction à l'arbre du moteur, non représenté.
Conformément à l'invention, les chevilles 10 présentent une résistance calibrée à la rupture par cisaillement.
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Pendant l'exploitation du trépan pour le forage d'un puits, un moteur est couplé à l'extrémité 11 du noyau 7.
L'assemblage des nervures et cannelures 9 transmet le couple du moteur au trépan, les épaulements 8 permettent la poussée du trépan contre le front de taille du puits et les chevilles 10 permettent d'extraire le trépan avec son moteur hors du puits.
Pour désolidariser le moteur du trépan en cas de coincement accidentel de celui-ci dans le puits, on exerce une traction sur le moteur dans le sens de la flèche X. Dès que l'effort de traction dépasse une valeur définie, prédéterminée, les chevilles 10 se brisent, libérant le noyau 7 qui peut dès lors coulisser hors de la chambre 6.
Dans l'outil représenté aux figures 1 à 3, le noyau 7 et la chambre 6 ont un profil cylindrique. En variante, ils pourraient présenter un profil tronconique tel que leur section tranversale aille en augmentant dans le sens de la flèche X.
Dans l'outil représenté aux figures, l'extrémité arrière 11 du noyau 7 déborde l'extrémité arrière 12 du corps 1 du trépan. En variante, la position de l'extrémité arrière 11 du noyau 7 pourrait affleurer l'extrémité arrière 12 du corps du trépan ou se trouver à l'intérieur de la chambre 6. La position optimum de l'extrémité arrière 11 du noyau 7 par rapport à l'extrémité arrière 12 est celle qui minimise la distance entre le moteur et le trépan. En pratique, elle va dépendre de
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l'encombrement du moteur et de la longueur de l'arbre moteur.