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"Trépan raclant à corps d'acier"
Domaine technique
La présente invention se rapporte dans l'ensemble à des trépans tournants pour forer des formations souterraines. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à des trépans à couteaux fixes ou dénommés "raclants", qui sont fabriqués en acier, connus en tant que trépans à corps d'acier, qui utilisent des couteaux très abrasifs et des éléments de structure adaptés aux besoins et fabriqués essentiellement à partir de matières de rechargement dur.
Arrière-plan technologique de l'invention
Du rechargement dur a été utilisé dans le métier des outils de trou de sonde, pendant un certain temps, en tant que moyen pour augmenter la résistance à l'érosion et à l'abrasion de certaines zones de trépans à galets coniques et de trépans à corps d'acier. Des couches relativement minces de rechargement dur ont été appliquées à des zones relativement grandes où une érosion et une abrasion par des copeaux, du fluide à grande vitesse et un contact avec la formation provoquent une usure non souhaitable du trépan.
Des trépans en acier, par exemple des trépans à galets coniques, présentent beaucoup plus d'usure par érosion et abrasion que ce que l'on appelle des trépans à matrice qui sont fabriqués par infiltration de métal fondu dans une matière de matrice comprenant du carbure de tungstène ou une autre poudre. Beaucoup de trépans à couteaux fixes sont fabriqués à partir d'une matrice de carbure de tungstène aussi bien qu'à partir d'acier Des trépans à corps d'acier tendent à présenter une ténacité supérieure mais une résistance limitée à l'érosion et à l'abrasion tandis que des trépans à matrice tendent à présenter une ténacité réduite mais une résistance exemplaire à l'érosion et à l'abrasion.
Du rechargement dur est composé dans l'ensemble d'une certaine forme de particules dures fournies à une surface par l'intermédiaire d'un système d'alimentation de soudure. Rechargement dur se rapporte à la matière déposée plutôt qu'aux matières constituantes qui composent le rechargement dur. Des matières constituantes de rechargement dur sont désignées en tant que composition de rechargement dur.
Des particules dures peuvent provenir du groupe suivant de carbures coulés ou frittés qui consistent en chrome, molybdène, niobium, tantale, titane, tungstène et vanadium et alliages et mélanges de ceux-ci, comme expliqué par le US-A-5 663 512 de Schader et al., cédé à la cessionnaire de la présente invention et incorporé par référence ici Communément, un mélange de carbures de tungstène
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frittés, macro-cristallins ou coulés est enfermé dans un tube d'acier doux. Le tube d'acier contenant le mélange de carbures est ensuite utilisé comme baguette de soudure pour déposer du rechargement dur sur la surface souhaitée, usuellement avec un désoxydant ou flux.
Les forme, dimension et pourcentage relatif de différentes particules dures affecteront les propriétés d'usure et de ténacité du rechargement dur déposé, comme cela est décrit par Schader et al. Le US-A-5 492 186 de Overstreet, cédé à la cessionnaire de la présente invention et incorporé ici par référence décrit une configuration de rechargement dur pour des dents de la rangée de talon sur un trépan à galets coniques. Le revêtement comprend deux compositions de rechargement dur adaptées aux besoins pour des propriétés différentes. Une première composition de rechargement dur peut être caractérisée par une bonne résistance à l'usure par glissement et/ou résistance à l'abrasion, avec un niveau inférieur de ténacité.
La seconde composition de rechargement dur contient des particules de carbure en carbure de tungstène fritté sphérique, fritté broyé et coulé. Une partie importante des particules de la seconde composition est caractérisée par un niveau supérieur de résistance à la rupture, ou ténacité, et par un niveau inférieur de résistance à l'abrasion.
Des compositions de rechargement dur ont également été utilisées pour revêtir les surfaces de calibre de dents de galets coniques, comme expliqué dans le US-A-3 800 891 de White et al. White décrit également, en ce qui concerne le rechargement dur de dents sur un trépan du type à galets coniques et dents en acier moleté, des rainures circonférentielles et une encoche transversale sur chaque dent de galet conique, pour le dépôt de rechargement dur
Du rechargement dur a été utilisé avec des trépans à corps d'acier dans certaines circonstances. Par exemple, le US-A-4 499 958 de Radtke et al. décrit du rechargement dur sur les lames et autres parties du trépan soumises à de l'usure par abrasion.
Cependant, l'utilisation d'une matière de rechargement dur telle qu'enseignée par Radtke et al. ne prend pas en considération un résultat de ténacité de la matière comme cela peut être nécessaire pour différentes parties du trépan tout en exploitant également les avantages d'une matière résistant à l'abrasion.
Ce que l'on appelle des trépans à matrice, mentionnés ci-dessus pour leur résistance supérieure à l'abrasion et l'érosion, ont également été considérés comme bénéficiant tout autant du rechargement dur. Le US-A-4 884 477 de Smith et al., cédé à la cessionnaire de la présente invention, décrit un corps de trépan à matrice
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métallique, composé d'une matière de remplissage à ténacité supérieure à celle du carbure de tungstène, pratiquement toutes les surfaces internes et externes du corps de trépan étant revêtues d'un rechargement dur résistant à l'érosion et à l'abrasion et composé de carbure de tungstène et de carbure de silicium Cependant, Smith et al. ne vise pas une localisation stratégique d'une matière suivant ses caractéristiques soit de résistance à l'abrasion soit de ténacité de matière.
Smith et al. ne prend pas particulièrement en considération de tels résultats en ce qui concerne un trépan à corps d'acier.
De plus, bien que beaucoup d'efforts ont été consacrés à l'utilisation et l'amélioration du rechargement dur et de son application à des trépans, de multiples compositions de rechargement dur n'ont pas été utilisées pour accroître ou façonner des éléments de structure sur des trépans à corps d'acier. Par exemple, des éléments de structure d'un trépan à corps d'acier, qui font considérablement saillie de la surface du trépan, par exemple des nodules d'usure ou des brise-copeaux, n'ont pas bénéficiés précédemment de l'utilisation de matières de rechargement dur.
Des nodules d'usure peuvent servir à limiter la profondeur de coupe d'une structure de coupe sur un trépan pendant une opération et à protéger par cela la structure de coupe contre un endommagement. Des nodules d'usure pour des trépans à corps d'acier peuvent usuellement être formés en montant à la presse une colonnette en carbure de tungstène fritté dans un trou usiné dans le corps de trépan. En variante, un nodule d'usure peut être usiné dans le corps de trépan, bien que ceci nécessite de prédéterminer l'emplacement du nodule d'usure et peut limiter la topographie de conception du trépan.
Des brise-copeaux servent à influencer la formation d'éclats qui sont amorcés aux bords antérieurs de couteaux et qui sont poussés le long de la surface de la lame du trépan qui porte les couteaux, de façon à ce qu'ils soient affaiblis et subséquemment brisés en de plus petits éléments pendant le processus de forage. Un brise-copeaux de ce genre est décrit avec plus de détails dans le US-A-5 582 258 de Tibbitts et al., cédé à la cessionnaire de la présente invention et incorporé ici par référence Des brise-copeaux forment une "protubérance" dans la surface de la lame et dans le trajet direct de la formation de l'éclat et cela amène l'éclat à se briser avant de devenir excessivement allongé.
Cette brisure empêche des éclats de s'accumuler le long de la surface du trépan et une agglutination éventuelle sur le trépan d'une agglomération d'éclats, comme cela est connu dans le métier. Des brise-copeaux dans des trépans à corps d'acier peuvent être usinés dans la surface du trépan ;
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ceci aussi peut donner des limites à la conception du trépan.
Des éléments de calibre pour des trépans à corps d'acier sont typiquement façonnés en forant des trous dans la surface de calibre et en pressant dans les trous des cylindres en carbure de tungstène fritté. En tant que mesure supplémentaire, une couche de rechargement dur peut être appliquée autour des cylindres en carbure fritté, sur le corps du trépan, mais les cylindres fonctionnent en tant qu'éléments principaux pour éviter une abrasion et de l'usure sur le calibre et ils sont conçus et configurés pour rendre maximale la zone exposée des cylindres frittés vers la paroi latérale du trou de sonde. Bien que des cylindres de carbure fritté fonctionnent de manière adéquate comme calibre de trépan, la nécessité d'usiner des trous précis pour un montage à la presse est gênante et limite la configuration du calibre.
De plus, des cylindres de calibre en carbure fritté présentent souvent après utilisation du fendillement, désigné par craquelures, qui peut être attribué peut-être à des cycles de chauffage et refroidissement extrêmes qui se présentent pendant des situations de forage.
A la vue des points faibles dans le métier, il serait avantageux de procurer un trépan du type raclant, à corps d'acier, qui utilise des éléments structurellement saillants, formés en matières de rechargement dur. Il serait en outre avantageux de procurer du rechargement dur dans un trépan, un tel rechargement dur étant localisé suivant les propriétés de matière de la matière du rechargement dur. Une localisation de ce genre pourrait être utilisée pour y inclure un rechargement dur de multiples compositions de matières qui exploitent des propriétés avantageuses des matières de chaque composition distincte.
Il serait également avantageux de procurer un procédé pour modifier des trépans existants afin d'utiliser des éléments structurellement saillants formés en une matière de rechargement dur. Un procédé de ce genre permettrait la fabrication plus aisée et à meilleur coût de trépans de ce genre tout en permettant encore une particularisation, spécifique à l'application, de trépans de ce genre.
Il serait également avantageux de procurer un trépan, aussi bien qu'un procédé de fabrication d'un trépan, présentant une surface adaptée au besoin en ce qui concerne la manière suivant laquelle du rechargement dur est appliqué, de façon à ce qu'un état de tension souhaitable soit communiqué à la structure de rechargement dur résultante. Il serait avantageux d'utiliser du rechargement dur qui a un état de tension résultante de ce genre, conçu suivant la sollicitation ou tension attendue communiquée au trépan alors qu'il est en fonctionnement.
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Description de l'invention
Des inventeurs de la présente ont reconnu que des éléments de structure d'un trépan à corps d'acier peuvent être formés par application de rechargement dur. Modifier une géométrie de surface de la surface qui reçoit le rechargement dur et modifier des compositions de rechargement dur sont des techniques d'adaptation aux besoins des éléments de structure suivant la présente invention.
En particulier, suivant un aspect de l'invention, un calibre est formé en appliquant une composition de rechargement dur sur des bords antérieurs et postérieurs, en rotation, du patin de calibre et en remplissant entre ces bords, sur la surface radialement externe du patin de calibre, avec une seconde composition différente de rechargement dur. Ceci permet une adaptation aux besoins des propriétés de rechargement dur pour chaque zone respective. A titre d'exemple, s'il est attendu que les bords soient soumis à une quantité accrue d'écaillage, la composition de rechargement dur dans cette zone peut être adaptée aux besoins en ce qui concerne la ténacité. Dans la zone entre les bords, où une fissuration peut être moins gênante, la composition de rechargement peut être adaptée aux besoins en ce qui concerne des caractéristiques d'usure.
Un autre aspect d'utiliser des compositions multiples de rechargement dur en différents endroits le long du trépan s'applique à l'utilisation de rechargement dur en tant que revêtement de protection. Comme tel, des matières multiples peuvent être utilisées pour revêtir les surfaces externes du trépan afin d'empêcher une érosion et une abrasion. Par exemple, là où des matières résistant plus à l'érosion sont nécessaires, un rechargement dur avec une quantité relativement grande de carbure de tungstène macro-cristallin peut être utilisée. De même, par exemple là où un rechargement dur avec une ténacité accrue est souhaité, du carbure de tungstène sphérique fritté ou coulé peut être utilisé.
Dans le cas dégénéré, toute la surface de rechargement dur appliqué, sur le trépan à corps d'acier, serait adaptée aux besoins, zone par zone avec des caractéristiques souhaitées. De manière plus pratique, des zones choisies seraient adaptées aux besoins en ce qui concerne des caractéristiques de rechargement dur souhaitées, selon la nécessité.
Suivant encore un autre aspect de l'invention, un calibre est déterminé en formant des rainures dans un patin de calibre d'un corps de trépan en acier et en remplissant ensuite les rainures avec une composition de rechargement dur. On croit que les rainures réduisent un écaillage du rechargement dur pendant du forage d'une
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formation souterraine. De même, les rainures procurent une quantité accrue d'aire de surface pour fixer le rechargement dur au corps de trépan, aussi bien qu'un volume accru de rechargement dur.
Des compositions de rechargement dur peuvent être modifiées également, comme cela est décrit dans la première forme de réalisation dans laquelle un premier rechargement dur est utilisé sur des bords antérieurs et postérieurs, en rotation, et un second rechargement dur est utilisé, entre les deux bords de rotation, sur la surface radiale externe du patin de calibre. Dans une autre combinaison, des ramures peuvent être situées dans différentes zones le long de la surface du calibre.
Poussées davantage, les rainures peuvent être orientées et adaptées aux besoins en fonction de considérations de sollicitations et de tensions résiduelles.
Une orientation des rainures dans l'ensemble le long de l'axe longitudinal de la lame est une configuration ; cependant,il peut être avantageux d'orienter les rainures par rapport à des caractéristiques de sollicitation de la lame. De plus, il est considéré que, dans le rechargement dur, un état avantageux avec allégement de tension peut être obtenu, en modifiant la surface du calibre sur laquelle du rechargement dur est appliqué, par l'intermédiaire d'au moins une rainure. Cet état de tension se manifestera comme résultat de différences de dilatation thermique entre la matière du corps de trépan et le rechargement dur lors de la fixation du rechargement dur sur le trépan à une température élevée.
Des états de tension de compression sont préférables dans l'ensemble pour des matières cassantes ; des états de tension de traction peuvent être avantageux aussi. Des rainures qui se chevauchent, des rainures avec différentes profondeurs, des rainures concentriques, des rainures en forme de V, des rainures en forme de U ou des géométries de rainures autrement configurées ou combinées peuvent être utilisées pour obtenir un résultat souhaité.
La présente invention prévoit également un façonnage de nodules d'usure ou de brise-copeaux sur un trépan à corps d'acier. Plusieurs avantages apparaissent dans ce procédé. Par exemple, un trépan peut être fabriqué au départ sans nodules d'usure ou brise-copeaux et ensuite, si des nodules d'usure ou brise- copeaux sont souhaités, le trépan peut être subséquemment configuré avec des nodules d'usure ou des brise-copeaux fabriqués en une matière de rechargement dur.
Ceci accroît l'aptitude d'un trépan pour de multiples applications. De même, dans le cas d'un trépan usé, des modifications et réparations des nodules d'usure ou brise- copeaux sont aisément réalisées lorsqu'ils sont prévus en matière de rechargement dur, à l'opposé des techniques usuelles pour produire ces structures.
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Etablit d'une autre manière, la présente invention renferme et comprend tout le concept de prévoir des structures saillantes en rechargement dur sur des trépans à corps d'acier, par exemple des modules d'usure et des brise-copeaux, ainsi que des patins de calibre et des revêtements de protection formés à partir d'au moins deux différentes compositions de rechargement dur. De plus, l'invention renferme et comprend des surfaces de trépan à corps d'acier qui comprennent au moins une rainure pour recevoir du rechargement dur
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront des revendications secondaires et de la description des dessins qui sont annexés au présent mémoire et qui illustrent, à titre d'exemples non limitatifs, le procédé et des formes de réalisation particulières du trépan suivant l'invention.
Brève description des dessins
La figure 1 représente une vue du dessus d'un trépan à corps d'acier sans couteau ni structures de calibre.
La figure 2 représente une vue latérale du trépan à corps d'acier de la figure 1.
La figure 3 représente un positionnement de nodules d'usure, sur une vue du dessus du trépan à corps d'acier de la figure 1, de la présente invention.
La figure 4 représente une vue latérale en coupe d'une lame de trépan configurée avec un nodule d'usure de la présente invention.
Les figures 5A à 5C représentent des vues latérales en coupe transversale de brise-copeaux avec différentes géométries, de la présente invention.
Les figures 6A et 6B représentent des vues frontales de lames de trépan avec des brise-copeaux continus et discrets respectivement, de la présente invention.
La figure 7 représente une vue latérale d'une partie de trépan à corps d'acier de la présente invention, avec de multiples compositions de rechargement dur.
La figure 8 représente une vue du dessus d'un trépan à corps d'acier de la présente invention, avec de multiples compositions de rechargement dur.
Les figures 9A à 9E représentent respectivement une vue du dessus en coupe transversale d'un patin de calibre de la présente invention, configuré avec des formes de réalisation de rainures en variante.
Les figures 10A et 10B représentent respectivement une vue du dessus en coupe transversale d'un patin de calibre de la présente invention, comprenant deux compositions de rechargement dur
Les figures 11A à 11C représentent respectivement des vues latérales
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de lames de trépan à corps d'acier de la présente invention, avec des configurations de rainures en variante.
Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
Meilleurs) modes(s) pour mettre en oeuvre l'invention
La figure 1 montre un trépan 10 à corps d'acier à titre d'exemple, configuré avec des lames 12,14, 16,18, 20 et 22 qui s'étendent dans l'ensemble radialement et longitudinalement à partir du corps de trépan 10. Le corps de trépan 10 peut être formé par moulage, usinage, soudage, forgeage, brochage ou toute combinaison de procédés, ou par d'autres procédés connus pour produire des trépans à corps d'acier. Des poches à couteau sont désignées dans l'ensemble par le numéro 30 et sont configurées sur les lames 20 à 22 pour recevoir des couteaux très abrasifs 32 (figure 4).
Une face de trépan 34 comporte des ouvertures 24 pour communiquer du fluide de forage à travers le trépan à corps d'acier 10, à travers des ajutages (non représentés) placés dans les ouvertures 24, comme cela est connu dans le métier. En se tournant vers la figure 2, des zones 26 d'encoches à débris, montrées tant à la figure 1 qu'à la figure 2, permettent le passage de copeaux produits par les couteaux 32 et transportés par du fluide de forage. La figure 2 montre également les zones de calibre des lames de trépan 16,18, 20 ou 22, désignées par 16', 18', 20' et 22' respectivement, où du rechargement dur peut être déposé pour produire un patin de calibre.
De plus, une tige de trépan filetée pour accoupler le trépan à corps d'acier 10 à un train de tiges de forage a été montré en lignes interrompues pour une plus grande clarté et le contexte de l'invention.
En se référant à présent à la figure 3, plusieurs emplacements possibles pour des nodules d'usure 40 sur les lames 12,18 et 20 sont indiqués. Cependant, des emplacements pour des nodules d'usure ne sont pas limités aux lames représentées avec des nodules d'usure à la figure 3. Des nodules d'usure 40 peuvent être situés sur n'importe quelle lame 12,14, 16,18, 20 et 22, en de multiples emplacements de celles-ci. Des nodules d'usure 40 tels que montrés sont radialement associés à des poches à couteau 31 sélectionnées montrées par une ligne pointillée. Les nodules d'usure 40 sont conçus pour s'étendre jusqu'à un niveau juste au-dessus de la saignée qui est coupée par le couteau suivant en rotation, lorsque le trépan à corps d'acier 10 est mis en rotation contre une formation. Ainsi, le nodule d'usure 40 précède sa poche à couteau 31 respective.
Si le taux de pénétration pendant du forage du trépan à corps d'acier 10 augmente au-delà du niveau souhaité, les nodules d'usure 40 entrent en
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contact avec la formation, en limitant la profondeur de coupe des couteaux 32 et en empêchant par cela un endommagement possible.
La figure 4 montre une coupe transversale latérale du nodule d'usure 40 de la présente invention, positionné sur une lame 44. Il est également montré une poche à couteau 30 ainsi qu'un couteau très abrasif 32 tel que connu dans le métier.
Du rechargement dur 41 est déposé dans l'ensemble sur la surface sommitale 43 de la lame 44 afin de former une structure qui en fait saillie. Le rechargement dur 41 peut être déposé comme cela est connu dans le métier et être ensuite modifié à souhait ou comme nécessaire, par usinage ou meulage pour obtenir les forme et dimension souhaitées.
Bien que non montré à la figure 4, il est aussi considéré que le rechargement dur 41 peut être déposé dans une cavité ou creux formé dans la surface sommitale 43 de la lame de trépan 44. Le creux ou cavité peut comprendre au moins une rainure pour une meilleure fixation du rechargement dur 41 ou pour communiquer dans le rechargement dur 41 un état de tension résiduelle souhaité.
La figure 5A représente une vue coupe transversale d'un brise-copeaux 50 de la présente invention, en service, un éclat continu de formation 51 se déplaçant le long de la surface de lame frontale 48 jusqu'à entrer en contact avec le brise- copeaux 50 composé de rechargement dur 41 L'éclat 51 est ensuite dévié par le brise- copeaux 50, en amenant ainsi l'éclat continu 51 à se briser.
Les figures 5B et 5C montrent différentes formes de réalisation pour des brise-copeaux 50 formés à partir de rechargement dur 41. La figure 5B montre le rechargement dur 41 qui a été déposé dans un léger creux 53, dans la surface de lame frontale 48, pour former le brise-copeaux 50 Le rechargement dur 41 peut être usiné, rectifié ou façonné autrement à la suite de son dépôt, pour obtenir une géométrie souhaitée.
De même, des brise-copeaux peuvent être configurés sous la forme d'éléments discrets ou d'éléments continus sur la surface de lame frontale 48, comme représenté aux figures 6A et 6B. La figure 6A montre une vue frontale d'une section de lame comportant des couteaux 61,62 et 63 aussi bien qu'un brise-copeaux continu 50 formé à partir de rechargement dur 41. Le brise-copeaux 50 est montré comme présentant une surface de coupe transversale uniforme de rechargement dur 41.
Cependant, le brise-copeaux 50 ne doit pas être façonné pour présenter une section transversale uniforme. La section transversale telle que montrée aux figures 5A à 5C peut varier pour améliorer le rendement du brise-copeaux 50. Par exemple, il peut être
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avantageux de communiquer une composante de torsion à l'éclat 51 à mesure qu'il se déplace sur la surface de lame frontale 48, ou la géométrie en section transversale du brise-copeaux 50 peut être adaptée selon le besoin suivant des angles d'inclinaison vers l'arrière ou d'inclinaison latérale des couteaux, comme cela est connu par ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier. La figure 6B montre un exemple de brise-copeaux 50 discrets façonnés à partir de rechargement dur 41 et alignés dans l'ensemble avec des couteaux 61, 62 et 63.
Ces brise-copeaux 50 discrets peuvent, ou peuvent ne pas, avoir des géométries de sections transversales semblables. Comme montré à la figure 5B, le brise-copeaux 50 peut être façonné dans un creux ou rainure 53 qui peut être conçu pour communiquer une tension résiduelle favorable au rechargement dur 41 déposé. De plus, une aire de surface accrue de ce genre peut améliorer la liaison du rechargement dur 41 et de la surface de lame frontale 48.
La figure 7 montre une vue latérale d'une partie de trépan à corps d'acier 10 de la présente invention Deux lames de trépan 64 et 65 sont configurées avec de multiples compositions de rechargement dur. Un premier rechargement dur 70 est déposé sur la section la plus externe de la lame de trépan 64, à partir du corps de trépan 78, et est représentée par des hachures transversales diagonales. Un second rechargement dur 72, représenté par des hachures transversales horizontales, est déposé sur la surface frontale de la lame 64. Un troisième rechargement dur 74 est déposé sur les surfaces sommitales des lames 64 et 65, comme montré par la zone hachurée verticalement de la lame 65. La zone restante de corps de trépan 76 peut être rechargée avec encore un autre rechargement dur si cela est souhaité.
Ainsi, une forme de réalisation possible pour l'application de multiples compositions de rechargement dur est montrée à la figure 7.
Bien que les représentations de compositions multiples de rechargement dur sur des trépans à corps d'acier soient montrées comme étant des zones contiguës de rechargement dur, ceci n'est pas destiné à limiter la présente invention. Différentes compositions de rechargement dur peuvent se chevaucher ou être disposées en couche pour former n'importe laquelle des structures, revêtements ou éléments de calibre mentionnés ci-dessus. Il est considéré que des couches de rechargement dur de compositions semblables ou différentes peuvent être ajoutées dans des zones critiques du trépan ou omises dans des zones non critiques du trépan.
Des couches de rechargement dur peuvent être usinées ou rectifiées après application, avant que des couches supplémentaires soient déposées De plus, une ou plusieurs rainures peuvent être réalisées dans une couche de rechargement dur en
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préparation à une couche de rechargement dur appliquée subséquemment.
La configuration de multiples compositions de rechargement dur peut être déterminée par de nombreux critères différents. Des mesures et simulations hydrauliques, d'abrasion et d'érosion peuvent être utilisées pour identifier des valeurs relatives d'érosion et d'abrasion sur une surface de trépan à corps d'acier. Le volume de copeaux de roche produits en différentes positions le long du trépan peut être considéré aussi bien que des caractéristiques d'écoulement hydraulique. Cependant, d'autres considérations peuvent influencer l'érosion de différentes zones du trépan. Par exemple, l'état de tension de la matière de rechargement dur peut influencer la résistance de la matière de rechargement dur à l'érosion. De plus, l'état de tension de la formation souterraine au voisinage du trou de sonde peut affecter la formation et le comportement d'éclats.
Une dilatation, le changement de volume de la roche à mesure qu'elle est exposée à une pression de confinement, peut affecter la formation d'éclats et le comportement à l'érosion sur le corps de trépan. En conséquence, des compositions de rechargement dur peuvent être agencées pour compenser sur le trépan à corps d'acier 10 une usure prévue ou mesurée d'érosion.
En plus de ce qui est décrit ci-dessus, la figure 7 montre également un patin de calibre 80 suivant la présente invention. Le patin de calibre 80 est usiné en surface par un premier rechargement dur 84 déposé sur ses bords antérieurs et postérieurs en rotation. Un second rechargement dur 86 est déposé pour former la surface de patins de calibre entre les bords antérieurs et postérieurs. Il est considéré que le premier rechargement dur 84 est élaboré pour présenter de la ténacité et que le second rechargement dur 86 est élaboré pour représenter une résistance à l'érosion et à l'abrasion.
Ainsi, le premier rechargement dur 84 résiste à une fissuration à l'endroit des bords antérieurs et postérieurs et le second rechargement dur 86 résiste à de l'usure par érosion et abrasion, présente lorsque le trépan tourne contre la paroi latérale du trou de sonde pendant des situations de forage.
La figure 8 représente une vue du dessus d'un trépan à corps d'acier, montrant une configuration en variante pour de multiples compositions de rechargement dur, des rechargements durs 71, 73 et 75 étant déposés par rapport à différentes zones radiales du trépan à corps d'acier 10. La zone radiale externe du trépan à corps d'acier 10 porte un premier rechargement dur 71, comme représenté par des hachures en diagonale Un second rechargement dur 73, représenté par les hachures verticales, couvre une zone radiale entre le premier rechargement dur 71 et un troisième rechargement dur 75. La zone radiale à partir du centre du trépan à corps
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d'acier 10 vers le second rechargement dur 73 porte le troisième rechargement dur 75.
Bien que les zones représentées à la figure 8 ne se recouvrent pas, la présente invention prévoit cela. Des zones de différentes compositions de rechargement dur peuvent se recouvrir, être bout à bout ou interagir autrement. En variante, des zones de différentes compositions de rechargement dur ne doivent pas être contiguës d'une quelconque façon.
La figure 9A représente une vue en coupe transversale d'une section de calibre 90 d'une lame de trépan. Une surface 80' montre où un patin de calibre 80 (figures 7,10A et 10B) sera traité en surface par application de rechargement dur. Des rainures 82 sont façonnées dans les bords antérieurs et postérieurs de la section de calibre 90, en préparation à une application d'une ou de plusieurs compositions de rechargement dur. Les rainures représentées à la figure 9A sont montrées comme ayant une section transversale radiale. En variante, les rainures peuvent être façonnées sous la forme d'un chanfrein 82' comme montré à la figure 9B ou avoir une section transversale autrement souhaitable. Comme montré à la figure 9C, de multiples rainures 81 peuvent être positionnées dans la surface 80' avant un rechargement dur.
N'importe lequel des rainures 81, 82 ou chanfreins 82' mentionnés ci-dessus peuvent formés par usinage, meulage ou brochage ou ils peuvent être façonnés d'une pièce avec le corps de trépan.
Il est noté que la géométrie des rainures montrée aux figures 9A à 9E l'est purement à titre d'illustration et ne devrait pas être considérée comme limitative en aucun sens. Au lieu de cela, différents formes et modèles de rainures peuvent être utilisés suivant la présente invention. A titre d'exemple, des rainures à forme de V, des rainures concentriques ou différentes géométries de rainures ou d'autres sections transversales peuvent être utilisées. Il est noté de même que différents profondeurs des rainures, trajets de rainures, écartements de rainures, orientations de rainures, configurations de recouvrement ou combinaisons de différents paramètres géométriques peuvent être utilisés. De même, des particularités des différentes configurations représentées aux figures 9A à 9E peuvent être combinées dans des agencements de variantes.
La figure 9D montre un exemple d'une telle géométrie possible de section transversale en variante Les rainures 81' sont façonnées de façon à ce qu'elles soient évidées par dessous En d'autres mots, la base de chaque rainure 81' est plus large ou plus grande en aire de section transversale que l'est son ouverture associée à l'endroit de la surface de calibre 80'. Une géométrie de ce genre permet
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avantageusement qu'une matière de rechargement dur appliquée subséquemment se bloque mécaniquement réciproquement avec la surface de patin de calibre 80' , en se combinant ainsi avec la liaison métallurgique existant entre les deux matières en vue d'une adhérence supérieure de la matière de rechargement dur sur la surface de patin de calibre 80'.
Une autre géométrie en variante est montrée à la figure 9E. La rainure 83 de cette forme de réalisation a été étendue à travers une partie importante de la surface de patin de calibre 80', en permettant qu'une structure de rechargement dur agrandie soit formée. Il est considéré que la rainure agrandie 83 peut être façonnée pour renfermer soit le bord antérieur soit le bord postérieur de la section de calibre 90.
La composition de la matière de rechargement dur appliquée peut être correctement choisie en fonction, en partie, du bord de la section de calibre 90 que la rainure 83 comporte.
La figure 10A représente une vue en coupe transversale de la figure 9A, avec l'addition d'un premier rechargement dur 84 déposé essentiellement dans des rainures 82 sur les bords antérieurs et postérieurs, en rotation, du calibre et s'étendant également partiellement le long des deux bords antérieurs et postérieurs de la section de calibre 90 de la lame de trépan, au-delà des rainures 82. Le premier rechargement dur peut être avantageusement une composition telle que, par exemple, une composition avec la majorité du dépôt qui contient du carbure de tungstène fritté pour des ténacité et résistance à la rupture accrues en ces endroits. Un second rechargement dur 86 est déposé essentiellement entre le premier rechargement dur 84.
Le second rechargement dur 86 peut avoir une composition qui résiste avantageusement à de l'usure par glissement et à de l'abrasion, telle que par exemple avec un pourcentage inférieur de carbure de tungstène fritté et un pourcentage supérieur de carbure coulé. Un autre exemple peut être du carbure de tungstène macro-cristallin.
Quoique dans la figure 10A le premier rechargement dur 84 et le second rechargement dur 86 couvrent sensiblement la surface 80' après formation du patin de calibre 80, d'autres formes de réalisation sont considérées. Par exemple, la figure 10B montre une forme de réalisation de ce genre dans laquelle le rechargement dur 86 ne renferme pas complètement la surface 80'. Une configuration de ce genre peut être obtenue par un rechargement dur des rainures 82 façonnées au préalable ou par un rechargement dur de toute la surface 80' et ensuite une mise à nu partielle de surfaces d'acier 87 par usinage ou meulage pour produire le patin 80. A nouveau, ceci peut être
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avantageux pour modifier des tensions résiduelles dans le rechargement dur.
En variante, du carbure fritté peut être placé sur des surfaces d'acier 87 et être "soudé" en place par du rechargement dur pour une résistance accrue à l'érosion et à l'abrasion, ou être fixé autrement comme cela est connu dans le métier. De semblables configurations de rechargement dur peuvent être mises en oeuvre avec les différentes sections de patins 90 présentées dans les figures 9A à 9E aussi bien qu'avec d'autres géométries de sections transversales notées.
Dans une forme de réalisation en variante, il peut être souhaitable d'orienter le rechargement dur suivant les sollicitations prévues ou une tension considérée subie par le trépan 10 en cours de fonctionnement. Par exemple, puisqu'un patin de calibre 80, sur un trépan 10 tournant, se déplace en cours de fonctionnement suivant une hélice peu profonde s'étendant vers le bas, il peut être avantageux d'orienter ou d'aligner des rainures par rapport à un angle d'hélice ou à une gamme d'angles correspondant à une gamme de taux de pénétration, de façon à ce qu'une sollicitation subie par le rechargement dur pendant du forage soit mieux supportée en ce qui concerne son interaction avec la formation rencontrée.
Les figures 11A à 11C représentent des vues latérales de lames 88, d'un trépan à corps d'acier, avec des surfaces en acier 80' dans les sections de calibre de la lame de trépan 88. Chacune de ces surfaces d'acier 80' représentées dans les figures 11A à 11C comporte une série de rainures 82 dans différentes orientations. La figure 11A représente des rainures 82 qui sont perpendiculaires dans l'ensemble à l'angle de l'hélice. La figure 11 B représente des rainures 82 qui sont parallèles dans l'ensemble à l'angle d'hélice.
L'angle d'hélice peut être modifié suivant les taux de pénétration et vitesse de rotation prévus, de façon à ce que les rainures soient orientées selon un valeur moyenne prévue de l'angle d'hélice, en fonction des limites voulues des paramètres de fonctionnement du trépan. La figure 11C représente des rainures concentriques 82 qui peuvent procurer des avantages supplémentaires en ce qui concerne des considérations de sollicitation externe aussi bien que de tension résiduelle.
Les formes de réalisation décrites ci-dessus se prêtent en outre d'elles- mêmes à des procédés complémentaires de réalisation d'un trépan à corps d'acier aussi bien qu'à des procédés pour concevoir un trépan de ce genre. Par exemple, un procédé pour concevoir un trépan pourrait comprendre le fait de sélectionner un trépan existant et de soumettre le trépan à un ou plusieurs tests, par exemple placer le trépan dans un environnement de forage réel ou simulé A mesure que le trépan est soumis à des tests, des données peuvent être récoltées en ce qui concerne les résultats de ce
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genre de tests.
Les données récoltées peuvent alors être utilisées pour concevoir une configuration de rechargement dur comprenant par exemple les dimension, forme, emplacement et état de tension de la configuration de rechargement dur à utiliser. De plus, le type de matière de rechargement dur à utiliser peut être déterminé suivant les caractéristiques de matière nécessaires pour la configuration de rechargement dur souhaitée. Différents outils industriels, connus par ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier, peuvent être utilisés pour aider à la conception. Des outils de ce genre peuvent comprendre par exemple un modèle mathématique, la dynamique des fluides calculée, l'analyse d'éléments finis et un modèle concret par CAD.
Il est noté que l'application de rechargement dur sur le trépan 10 dans l'une quelconque des formes de réalisation décrites ci-dessus peut être réalisée par plus d'un processus. Par exemple, il est considéré que le rechargement dur peut être appliqué par un processus de soudage oxyacétylénique (OXY). Cependant, d'autres processus peuvent être utilisés, tels que par exemple du soudage à l'hydrogène atomique (ATW = Atomic Hydrogen Welding), du soudage au tungstène en atmosphère inerte (TIG = Tungsten Inert Gas), du soudage à l'arc au tungstène en atmosphère (GTAW = Gas Tungsten Arc Welding) ou d'autres processus applicables, connus par quelqu'un de normalement expérimenté dans le métier.
En résumé, la présente invention procure des trépans tournants de type raclant, qui ont des éléments de structure faisant considérablement saillie, tels que par exemple des nodules d'usure ou des brise-copeaux, à façonner sur un trépan à corps d'acier par rechargement dur. La présente invention procure également des revêtements et des sections de calibre qui sont composés d'au moins deux différentes compositions de rechargement dur et qui peuvent être configurés et situés suivant des caractéristiques de matière et des configurations de sollicitations et d'usure prévues subies par le trépan.
De plus, la présente invention procure des procédés pour réaliser et concevoir des trépans de genre.
Bien que l'invention puisse être soumise à différentes modifications et formes en variante, des formes de réalisation particulières ont été montrées à titre d'exemple dans les dessins et ont été décrites en détails ci-dessus. Cependant, il devrait être compris que l'invention vise à couvrir toutes les modifications, les équivalents et les variantes entrant dans l'esprit et la portée de l'invention telle qu'elle est déterminée par les revendications annexées suivantes.