BE1015202A5

BE1015202A5 - Structure de forage, procede de forage avec celle-ci et procede de conception de la structure.

Info

Publication number: BE1015202A5
Application number: BE2002/0459A
Authority: BE
Inventors: Mohammad Swadi
Original assignee: Baker Hughes Inc
Priority date: 2001-08-13
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-11-09
Also published as: ITTO20020718A1; GB2378718A; US6659199B2; GB0214329D0; ITTO20020718A0; US20030034181A1; GB2378718B

Abstract

Structure de forage pour du forage souterrain, comprenant un corps comportant un axe déterminant un axe de rotation, et comprenant une extrémité antérieure pour entrer en contact avec une formation pendant le forage et une extrémité postérieure comportant une structure qui y est associée pour raccorder la structure de forage à un train de tiges de forage, au moins un couteau fixé au corps, sur l'extrémité antérieure à une distance radiale à partir de l'axe, et sur l'extrémité antérieure, au moins un élément porteur allongé positionné à approximativement la même distance radiale à partir de l'axe que celle dudit couteau, ledit élément porteur allongé étant dimensionné, positionné et orienté de façon à se situer sensiblement complètement dans un trajet coupé dans la formation souterraine par ledit couteau lors d'une rotation de la structure de forage, et procédés de forage avec, et de conception de cette structure.

Description


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   "Structure de forage, procédé de forage avec celle-ci et procédé de conception de la structure" 
Domaine technique 
La présente invention se rapporte dans l'ensemble à des trépans pour forer des formations souterraines et plus particulièrement à des éléments porteurs allongés, positionnés et orientés de manière préférentielle, pour des structures de forage telles que des trépans raclants tournants, et à des trépans raclants tournants ainsi équipés 
Arrière-plan technologique 
Les trépans raclants tournants qui utilisent des couteaux en comprimé de diamant polycristallin (PDC =Polycrystalline Diamond Compact) ont été utilisés depuis plusieurs décades.

   Des couteaux en PDC comportent typiquement une "table" de diamant polycristallin façonnée en disque, façonnée sur, et liée sous des conditions de haute pression et haute température à, un substrat porteur tel que du carbure de tungstène (WC = Tungsten Carbide) cémenté, bien d'autres configurations soient connues. Des trépans raclants tournants qui portent des couteaux en PDC qui peuvent être brasés dans des poches, dans la face de trépan ou dans des lames qui s'étendent à partir de la face, ou qui sont montés sur des tiges insérées dans le corps du trépan se sont avérés très efficaces pour obtenir de hauts taux de pénétration (ROP = Rate Of Pénétration) lors d'un forage de formations souterraines présentant des résistances à la compression faibles à moyennes.

   Des améliorations récentes dans la conception de l'hydraulique de trépans raclants tournants, dans la conception des couteaux et dans la formule du fluide de forage ont réduits des tendances antérieures importantes de trépans de ce genre à "agglutiner", en augmentant le volume de matière de formation qui peut être coupé avant de dépasser la capacité du trépan, et de son écoulement de fluide de forage associé, à évacuer de la face de trépan les copeaux de formation. 



   De nombreuses tentatives utilisant différentes approches ont été faites au cours des années pour protéger l'intégrité des couteaux diamantés et de leurs structures de montage, pour limiter une pénétration des couteaux dans une formation en cours de forage et pour stabiliser dans l'ensemble des trépans raclants tournants en cours de fonctionnement. Par exemple, à partir d'une période même avant l'arrivée d'une utilisation commerciale de couteaux en PDC, le brevet US-A-3 709 308 décrit 

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 l'utilisation de diamants naturels ronds, en arrière, sur le corps de trépan pour limiter la pénétration de diamants cubiques utilisés pour couper une formation.

   Le brevet US-A-4 351 401 décrit l'utilisation de diamants naturels, à surfaces orientées, à l'endroit ou près du calibre du trépan, en tant que limiteurs de pénétration pour commander la profondeur de coupe des couteaux en PDC de la face du trépan. D'autres brevets décrivent l'utilisation d'une variété de structures qui suivent immédiatement des couteaux en PDC (par rapport au sens de rotation du trépan) pour protéger les couteaux ou leurs structures de montage les brevets US-A-4 889 017, US-A-4 991 670, US-A-5 244 039 et US-A-5 303 785. Le brevet US-A-5 314 033 décrit entre autres l'utilisation de couteaux à inclinaison en arrière positive et négative ou neutre, qui coopèrent, pour limiter une pénétration des couteaux à inclinaison positive dans la formation.

   Une autre approche pour limiter une pénétration d'éléments coupants consiste à utiliser, sur le corps du trépan, des structures ou particularités qui précèdent en rotation (plutôt que de suivre) des couteaux en PDC, comme cela est décrit dans les brevets US-A-3 153 458, US-A-4 554 986, US-A-5 199 511 et US-A-5 595 252. 



   Dans un autre contexte, une surface porteuse, sur le corps du trépan, est alignée avec une force radiale résultante qui y est produite par des couteaux, pour empêcher ce que l'on appelle un "tournoiement" de trépan, en conservant un contact de la surface porteuse avec la paroi du trou de sonde. Voir également les brevets US- A-4 982 802, US-A-5 010 789, US-A-5 042 596, US-A-5 111 892, US-A-5 131 478 et US-A-5 402 856. 



   Ce que l'on appelle des "nodules d'usure" ont été déployés derrière des couteaux en PDC, sur la face d'un trépan raclant tournant, dans un essai de procurer une stabilité accrue dans certaines formations, particulièrement une roche tendre, moyenne et dure intercalée. Des trépan de forage qui forent des formations de ce genre deviennent aisément latéralement instables en raison de la variation ample et constante de forces résultantes agissant sur le trépan de forage en raison de l'entrée en prise de formations de ce genre avec les couteaux en PDC portés par la face.

   Des nodules d'usure comprennent des structures sous la forme d'éléments porteurs faisant saillie de la face du trépan et qui usuellement suivent en rotation certains des couteaux en PDC sensiblement aux mêmes endroits radiaux, usuellement en des positions à partir du nez du trépan qui s'étendent sur l'épaulement, jusque près du calibre. 



  Usuellement, des nodules d'usure peuvent comprendre des segments allongés qui ont des extrémités antérieures, prises dans le sens de rotation du trépan, arquées, par exemple demi-hémisphériques Les nodules d'usure font saillie de la face du trépan sur 

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 une distance moindre que les saillies ou valeurs d'exposition de leurs éléments coupants en PDC associés et elles sont typiquement d'une largeur moindre qu'un couteau en PDC associé qui précède en rotation et ainsi, en conséquence, que la rainure dans la formation coupée par ce couteau en PDC.

   Une déviation importante par rapport à une approche de conception de ce genre est décrite dans le brevet US-A- 5 090 492 dans lequel ce que l'on appelle des "saillies de stabilisation" suivent en rotation certains couteaux en PDC sur la face du trépan et sont dimensionnées en liaison à leurs couteaux associés pour pénétrer prétendument confortablement dans, et se déplacer le long de, la rainure coupée par le couteau précédant associé, dans une relation de frottement mais prétendument non coupante par rapport aux parois latérales de la rainure 
Il a été observé par le présent inventeur que la présence d'éléments porteurs sous la forme de nodules d'usure, bien que de bonne intention en des termes d'accroître une stabilité d'un trépan raclant tournant,

   n'atteint pas son but dans la pratique en raison de déficiences dans le positionnement et l'orientation des nodules d'usure. Notamment, des conceptions et positionnements courants de nodules d'usure, au lieu que le module d'usure circule complètement dans une rainure coupée par un couteau en PDC associé qui précède en rotation, donnent lieu à ce qu'une certaine partie, et dans certains cas une partie importante, de chaque surface externe d'un nodule d'usure entre en contact avec la roche non coupée adjacente à la rainure et excite, plutôt que de réduire, une vibration latérale du trépan. 



   Description de l'invention 
La présente invention procure une conception de trépan bien raisonnée, aisée à mettre en oeuvre, particulièrement appropriée pour des structures de forage comme des trépans raclants tournants, cette conception de trépan pouvant être spécialement adaptée à un taux de pénétration (ROP = Rate Of Pénétration) spécifique ou à une gamme de taux de pénétration spécifique.

   Dans la conception inventive du trépan, un positionnement latéral et un positionnement angulaire d'éléments porteurs allongés, sur la face du trépan, ainsi que leurs dimensions et configurations respectives peuvent être réglés de façon à ce que toutes les parties d'un élément porteur allongé se déplacent complètement dans un volume d'évidement tubulaire déterminé par le trajet à travers la formation en cours de forage par une couteau en PDC auquel l'élément porteur allongé est associé, le couteau en PDC étant positionné selon approximativement le même rayon, à partir de l'axe du trépan, que l'élément porteur allongé 

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Des couteaux en PDC d'un trépan raclant tournant se déplacent le long de trajets hélicoïdaux à mesure que le trépan fore en avant dans la formation Le pas d'hélice d'un couteau,

   en unités de distance (par exemple des centimètres (des pouces)) par tour est relié au ROP et à la vitesse de rotation du trépan mesurée en tours par minute. Le pas déterminé, en combinaison avec une position radiale d'un couteau en PDC sur le trépan, peut être utilisé pour déterminer la pente du trajet hélicoïdal coupé par le couteau dans la formation. 



   Les éléments porteurs allongés de la présente invention peuvent suivre en rotation un couteau en PDC associé, soit dans une position immédiatement adjacente sur la circonférence soit selon un arc important autour de la face du trépan. 



  Dans la pratique, un élément porteur allongé peut suivre un couteau en PDC associé selon une distance dépassant 180  sur la circonférence, de façon à effectivement précéder en rotation un autre couteau en PDC différent qui se déplace le long d'un trajet situé suivant approximativement le même rayon, à partir de l'axe du trépan, que celui de l'élément porteur allongé. 



   Dans une forme de réalisation, des éléments porteurs allongés peuvent être configurés sous la forme de segments semi-cylindriques allongés qui ont des extrémités antérieures et postérieures non agressives afin d'empêcher une coupe involontaire de la matière de la formation, par exemple une extrémité à moitié hémisphérique antérieure en rotation et une extrémité à moitié hémisphérique postérieure en rotation Chaque élément porteur allongé correspond sensiblement à une partie d'un trajet circulaire parcouru par un couteau en PDC associé, sur sensiblement le même rayon lorsque le trépan tourne.

   La face ou surface porteuse la plus externe de chaque élément porteur allongé peut être orientée (lorsque le trépan est disposé normalement pendant un forage) selon un angle, par rapport à l'axe du trépan, correspondant dans l'ensemble à la pente du trajet hélicoïdal parcouru par son couteau en PDC associé, pour un taux de pénétration donné ou une gamme conçue de taux de pénétration, lorsque le trépan fore en avant dans la formation. 



   Il est spécifiquement considéré que des éléments porteurs allongés, suivant la présente invention, peuvent être appliqués à des trépans de carottage, des trépans à double centre, des trépans excentrés, des outils d'alésage et d'autres structures de forage ainsi qu'à des trépans de forage de passage intégral. Tel qu'utilisé présentement, le terme de "trépan" renferme toutes les structures de forage antérieures.

   De plus, la présente invention n'est pas limitée à une structure particulière quelconque pour des trépans raclants tournants et peut être appliquée, avec une utilité 

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 égale, tant à des trépans raclants tournants du type à matrice qu'aussi bien à des trépans à corps en acier et à des trépans de différentes constructions, comprenant sans limitation des trépans façonnés par des techniques stéréolithographiques, ou ce que l'on appelle une "fabrication par couches", comme cela est connu dans le métier. 



   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, des formes de réalisation particulières de la structure de forage et du procédé de forage suivant l'invention. 



   Des procédés de conception de trépans raclants tournants suivant l'invention sont également compris dans la présente invention, comme le sont les procédés de forage 
Brève description des dessins 
La figure 1 est une vue en perspective inversée d'un trépan raclant tournant suivant la présente invention. 



   La figure 2 est une vue partielle en perspective, agrandie et inversée, d'une partie de la face du trépan raclant tournant de la figure 1, montrant des éléments porteurs allongés   sous'la   forme de nodules d'usure positionnés orientés suivant la présente invention. 



   La figure 3 est une vue partielle en perspective, agrandie et inversée, d'une partie de la face d'un trépan raclant tournant, de l'état antérieur de la technique, comportant des nodules d'usure positionnés et orientés d'une manière usuelle. 



   La figure 4 est une vue en élévation latérale agrandie d'un élément porteur allongé, suivant la présente invention, sur une surface externe d'un trépan de forage, montrant sa position à partir d'une vue latérale par rapport à un trajet coupé à travers une roche de formation par un couteau associé. 



   La figure 5 est une section transversale prise à travers l'élément porteur allongé tel que montré à la figure 4, prise le long de la ligne 5 - 5 de celle-ci. 



   La figure 6 comprend une vue du dessus d'un élément porteur allongé de manière arquée, suivant la présente invention. 



   Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues. 



   Meilleur(s) mode ou modes pour mettre en oeuvre l'invention 
En se reportant aux dessins, la figure 1 montre un trépan raclant tournant 10 suivant la présente invention, inversé pour la clarté de l'illustration par 

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 rapport à son orientation de forage usuelle, et à l'endroit de sa face ou extrémité antérieure 12 comme si le spectateur était légèrement au-dessus et décalé vers un côté.

   Le trépan 10 comprend une pluralité de couteaux en PDC 14 qui comportent des tables 14a en diamant polycristallin façonnées et liées à des substrats 14b et liées par leurs substrats 14b, par exemple par brasage, dans des poches 16 dans des lames 18 qui s'étendent au-dessus de la face 12, comme cela est connu dans le métier en ce qui concerne la fabrication de ce que l'on appelle des trépans du type à "matrice" ainsi que de certains trépans à corps d'acier. Des trépans du type à matrice comprennent une masse de poudre métallique, par exemple du carbure de tungstène, infiltrée avec un liant fondu, qui peut durcir ensuite, par exemple un alliage à base de cuivre, tandis que des trépans à corps d'acier sont usuellement usinés à partir d'une pièce coulée.

   Il devrait être compris cependant que la présente invention n'est pas limitée à des trépans du type à matrice ou des trépans à corps d'acier coulé et usiné, et que des trépans d'une autre fabrication peuvent également être configurés suivant la présente invention. 



   Des canaux à fluide 20 sont situés entre les lames 18 et sont fournis en fluide de forage par des ajutages 22 fixés dans des orifices à ajutage 24, les orifices à ajutage 24 étant situés à l'extrémité de passages qui viennent d'un espace s'étendant dans le corps de trépan 40 à partir d'une tige tubulaire 42, à l'extrémité postérieure du trépan, qui peut être filetée sur sa surface externe, comme cela est connu dans le métier, pour raccorder le trépan 10 à un train de tiges de forage. Les canaux à fluide 20 s'étendent jusqu'à des encoches à débris 26 qui s'étendent vers le bas (tel que le trépan 10 est orienté) le long du côté du trépan 10, entre les lames 18.

   Des patins de calibre 19 comprennent des prolongements, longitudinalement vers le haut, des lames 18 et peuvent avoir des éléments insérés ou revêtements résistant à l'usure sur leurs surfaces radialement externes 21, comme cela est connu dans le métier. Des copeaux de formation sont balayés à l'écart des couteaux en PDC 14 par du fluide de forage qui sort des ajutages 22 et qui se déplace dans l'ensemble radialement vers l'extérieur à travers les canaux à fluide 20 et ensuite vers le haut, à travers les encoches à débns 26, vers un espace annulaire entre le train de tiges de forage, auquel le trépan 10 est suspendu, et la paroi du trou du puits, et jusqu'à la surface. 



   Une pluralité d'éléments porteurs allongés 30, chacun comprenant un segment allongé, se trouvent sur les lames 18 Des éléments ou pièces insérées 32 résistant à l'usure (figure 4), sous la forme de briques ou disques de carbure de tungstène, de particules de diamant, de film de diamant, de diamants naturels ou 

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 synthétiques (PDC ou TSP), de nitrure de bore cubique, de céramique ou d'une autre matière solide, résistant à l'usure, comme cela est connu dans le métier, peuvent être placés sur les surfaces porteuses extérieures ou ajoutés aux surfaces porteuses extérieures des éléments porteurs allongés 30 pour réduire leur usure par abrasion par contact avec la formation sous un WOB (= Weight On Bit = Poids Sur Trépan) lorsque le trépan 10 tourne sous un couple appliqué.

   Au lieu de pièces insérées, les surfaces porteuses peuvent être formées d'une matière résistant à l'usure ou en être complètement couvertes. En se reportant aux figures 1 et 4 des dessins, les éléments porteurs allongés 30 comprennent de plus chacun une extrémité antérieure 34 et une extrémité postérieure 36 (prises dans le sens de la rotation du trépan pendant l'utilisation) façonnées d'une manière non agressive (de façon à ne pas heurter ou saisir de la roche de formation pendant le forage), chaque extrémité étant adjacente à une partie principale de corps 38, façonnée de manière non agressive, de l'élément porteur allongé 30.

   Une forme appropriée pour les extrémités 34 et 36 est une demi- hémisphère dans le cas où la partie de corps principale 38 de l'élément porteur allongé 30 est configurée par exemple sous la forme d'un demi-cylindre. Bien sûr, des éléments porteurs allongés 30 peuvent faire saillie (ou être à nu) sur des distances variables au-dessus de la surface d'une lame 18 ou d'une autre partie du corps de trépan 40, les surfaces externes des éléments porteurs allongés 30 étant moins saillantes que la saillie des couteaux en PDC 14 auxquels ceux-ci sont associés, de manière à ne pas en empêcher l'action de coupe. Les éléments porteurs allongés 30 peuvent être rectilignes en allongement, ou arqués, ceux-ci étant représentés à la figure 6.

   Si allongé de manière arquée, un élément porteur 30 peut être façonné sur un arc qui a un rayon sensiblement égal à la distance radiale entre l'élément porteur allongé 30 et l'axe L du trépan raclant tournant 10. Comme noté ci-dessus, la dimension longitudinale de la partie de corps principale 38 d'un élément porteur allongé 30 peut être en pente pour être assortie à l'angle du trajet hélicoïdal par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe L du trépan et traversé par un couteau en PDC 14 auquel l'élément porteur allongé 30 est associé, pour un ROP donné ou une gamme de ROP donnée et pour procurer ainsi une grande surface porteuse allongée contre la roche de formation plutôt que d'être limitée à un point de contact avec celle-ci dans le cas de formations plus dures Le pas d'hélice, en termes de centimètres (pouces)

   de pénétration du trépan dans la formation en cours de forage, pour chaque tour du trépan, peut être caractérisé par l'équation suivante 
Pas d'hélice (m/tour) = ROP (cm/heure) x 12 (cm/m) 
RPM (tour/mn) x 60 (mn/heure) 

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Le nombre obtenu par utilisation de l'équation ci-dessus est égal bien sûr à la profondeur de coupe de tous les couteaux en PDC du trépan pendant un tour unique du trépan pour des ROP et RPM donnés. Cependant, comme cela sera compris et apprécié par ceux qui sont usuellement expérimentés dans le métier, un couteau, sur une tête qui tourne, en un endroit radial plus proche du calibre parcourra un plus grand trajet circulaire autour et transversalement à l'axe L du trépan qu'un couteau qui est situé pratiquement près de l'axe L pendant un unique tour du trépan. 



  Ainsi, il est évident, de manière intuitive, que la pente du trajet hélicoïdal pour le couteau plus près de l'axe L (qui est plus courte en longueur circulaire pour une pénétration longitudinale donnée du trépan dans la formation) sera sensiblement plus forte que celle du couteau plus proche du calibre (qui est plus longue en longueur circulaire pour une pénétration longitudinale donnée du trépan dans la formation).

   En conséquence, l'orientation (pente) de la surface porteuse d'un élément porteur allongé peut être finement accordée pour être sensiblement assortie à la pente de l'hélice coupée par le couteau en PDC 14 auquel il est associé et sensiblement sur le même rayon à partir de l'axe L De plus, les éléments porteurs allongés 30 suivant la présente invention sont dimensionnés et configurés en coupe transversale de façon à se situer bien dans l'enveloppe du trajet hélicoïdal 200' coupé par un couteau en PDC 14 associé, comme cela est représenté à la figure 5 des dessins. 



   Telle que caractérisée présentement, la configuration d'un élément porteur allongé 30 se réfère à la configuration qui s'étend au-dessus de la surface d'une lame 18 ou d'une autre partie du corps de trépan 40 portant cet élément porteur allongé 30 particulier, toute partie de celui-ci s'étendant dans une lame 18 ou un corps de trépan 40 étant configurée selon le souhait ou la nécessité pour fixer l'élément porteur allongé 30 au trépan 10, comme cela est bien connu dans le métier, mais elle ne fait pas partie de la présente invention. 



   Dans le cas de trépans du type à matrice, à titre d'exemple et non de limitation, les éléments porteurs allongés 30 peuvent être formés de saillies de matière de matrice infiltrée du corps de trépan 40, qui s'étendent dans des cavités façonnées sur la surface intérieure de la cavité de moulage du trépan, qui détermine la forme extérieure du corps de trépan. La résistance à l'usure des éléments porteurs allongés 30 peut être augmentée, à titre d'exemple seulement, en plaçant des particules de diamant dans la matière de matrice à proximité de la surface externe des éléments porteurs allongés 30 avant l'infiltration du corps de trépan. Dans le cas de trépans à corps d'acier, les éléments porteurs allongés peuvent être formés à partir d'une matière 

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 de rechargement dur appliquée sur le corps en acier.

   L'utilisation d'un rechargement dur pour former des nodules d'usure sur des corps de trépan est décrite et revendiquée dans la demande de brevet US numéro 09/715 406 déposée le 17 novembre 2000 et cédée à la cessionnaire de la présente invention. 



   Un rechargement dur est composé généralement d'une certaine forme de particules dures fournies à une surface par l'intermédiaire d'un système d'amenée de soudure. Le terme de rechargement dur se rapporte à la matière déposée plutôt qu'aux matières constituantes qui forment le rechargement dur. Des matières constituantes de rechargement dur sont désignées comme étant une composition de rechargement dur. Des particules dures peuvent provenir du groupe suivant de carbures moulés ou frittés comprenant du chrome, du molybdène, du niobium, du tantale, du titane, du tungstène et du vanadium et des alliages et mélanges de ceux-ci, comme cela est décrit dans le brevet US-A-5 663 512 de Schader et al., cédé à la cessionnaire de la présente invention.

   Généralement, un mélange de carbures de tungstène fnttés, micro-cristallins ou coulés est enfermé dans un tube en acier doux. 



  Le tube en acier contenant le mélange de carbures est ensuite utilisé en tant que tige de soudage pour déposer le 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 résistance du rechargement dur déposé, comme cela est décrit dans le brevet de Schader et al.. Le brevet US-A-5 492 186 de Overstreet, cédé à la cessionnaire de la présente invention, décrit une configuration de rechargement dur pour des dents d'une rangée de talon sur un trépan de forage à galets coniques. Le revêtement comprend deux compositions de rechargement dur adaptées spécialement pour différentes propriétés. Une première composition de rechargement dur peut être caractérisée par de bonnes résistance à l'usure de glissement et/ou résistance à l'abrasion, avec un niveau assez bas de ténacité.

   La seconde composition de rechargement dur contient des particules d'un carbure de tungstène sphérique fritté, fritté et 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 assez faible de résistance à l'abrasion. Ainsi, les caractéristiques du rechargement dur peuvent être adaptées à une utilisation pour être appropriées aux buts de la structure formée par celui-ci. 



   A des fins de référence, le trépan raclant tournant 10 tel que représenté peut être dit être symétrique ou coaxial autour de sa ligne centrale ou axe longitudinal 

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 L, bien que ceci ne soit pas nécessairement une condition de l'invention. Dans le cas d'un trépan raclant tournant 10, les éléments porteurs allongés 30 sont configurés et placés pour correspondre sensiblement exactement à la forme forée dans le fond du trou de sonde par au moins un couteau en PDC associé placé selon sensiblement le même rayon par rapport à l'axe L. 



   Avec une référence aux figures 2 et 3 des dessins, la présente invention est décrite avec des détails supplémentaires. Les éléments et particularités précédemment décrits en ce qui concerne les figures 1,4 et 5 des dessins sont identifiés par les mêmes numéros de référence dans les figures 2 et 3. 



   La figure 2 représente un trépan raclant tournant 100 usuel, d'une conception semblable à celle du trépan raclant tournant 10 suivant la présente invention. Il sera apprécié que le trépan raclant tournant 100 utilise des nodules d'usure 130, ces structures présentant des extrémités antérieures 134 et extrémités postérieures 136 en demi-hémisphère. Il sera apprécié, par référence au trajet hélicoïdal 200 parcouru par le couteau en PDC 14x qui précède le nodule d'usure 130x à approximativement la même distance radiale par rapport à l'axe L, que le nodule d'usure 130x, et en particulier l'extrémité postérieure 136 de celui-ci, fait saillie ou pénètre, comme indiqué en P, au-delà de la dimension du trajet parcouru et déterminé par le couteau en PDC 14x.

   Lorsque le trépan raclant tournant 100 fore réellement une formation, cette pénétration de l'enveloppe tubulaire déterminant le trajet hélicoïdal 200 indique que l'extrémité postérieure 136 du nodule d'usure 130x entre en contact avec la roche voisine du trajet hélicoïdal 200 et non coupée par le couteau en PDC 14x, en excitant en conséquence, plutôt qu'en réduisant, une vibration latérale du trépan raclant tournant 100 
D'un autre côté, la figure 3 représente une vue en perspective agrandie semblable à celle de la figure 2 mais du trépan raclant tournant 10 suivant la présente invention telle que décrite précédemment par rapport à la figure 1.

   Le trépan raclant tournant 10 utilise des éléments porteurs allongés 30, ces structures comportant des extrémités antérieures 34 et extrémités postérieures 36 en demi-hémisphère bien que d'autres configurations non agressives pour les extrémités antérieures et postérieures 34 et 36 soient également considérées pour une utilisation avec la présente invention et comprises dans celles-ci.

   Il sera apprécié, par référence dans la figure 3 au trajet hélicoidal 200' parcouru par le couteau PDC 14y précédant l'élément porteur allongé 30y à approximativement la même distance radiale par rapport à   t'axe   L, que l'élément porteur allongé 30y comprenant tant l'extrémité antérieure 34 que l'extrémité 

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 postérieure 36 se trouve dans son entièreté dans la dimension du trajet parcouru par le couteau en PDC 14y et dans l'enveloppe tubulaire résultante.

   Avec le trépan raclant tournant 10 forant réellement une formation, ce manque de pénétration de l'enveloppe tubulaire associée au trajet hélicoïdal 200' indique que l'élément porteur allongé 30y n'entrera pas en contact avec la roche voisine du trajet hélicoïdal 200' et non coupée par le couteau en PDC 14y mais au lieu de cela circulera dans l'enveloppe tubulaire du trajet hélicoïdal 200', en réduisant en conséquence plutôt qu'en excitant une vibration latérale du trépan raclant tournant 100 lorsque la surface externe de l'élément porteur allongé 30y circule sur la paroi de la roche dans la rainure qui y est coupée par le couteau en PDC 14y. 



   Au cours de la conception d'un trépan raclant tournant suivant la présente invention, un positionnement de chaque élément porteur allongé 30 par rapport à un trajet hélicoïdal 200' et à son enveloppe tubulaire associée peut être vérifié en utilisant un logiciel usuel de dessin assisté par ordinateur (CAD = Computer Aided Design). Le positionnement latéral ou côte à côte de chaque élément porteur allongé 30 ainsi que l'orientation angulaire ou rotation d'un élément porteur 30 autour d'un axe perpendiculaire à la face du trépan à l'endroit d'un élément porteur allongé 30 donné peuvent être réglés à l'étape de conception et avant une fabrication du trépan raclant tournant effectif, pour assurer que chaque élément porteur allongé 30 circule sensiblement entièrement dans une enveloppe tubulaire d'un trajet hélicoïdal 200'.

   De plus, les dimensions d'un élément porteur peuvent être réglées, aussi bien que la configuration de celui-ci. Par exemple, un élément porteur peut être raccourci ou modifié par rapport à une configuration allongée de manière linéaire en une configuration non linéaire, par exemple allongée de manière arquée. Encore davantage, la configuration de l'élément porteur peut être modifiée dans le contexte de régler la pente de la surface porteuse de l'élément porteur allongé. Le trajet hélicoïdal 200' peut être produit pour au moins un ROP sélectionné, ou pour une gamme de ROP auxquels le trépan est destiné à forer, une saillie ou une absence de saillie d'un élément porteur 30 donné à travers une enveloppe tubulaire d'un trajet hélicoïdal 200' à chaque extrémité de la gamme de ROP pouvant être vérifiée. 



   Les couteaux utilisés avec un trépan raclant tournant 10 indiqué présentement ont été décrits comme étant des couteaux en PDC mais il sera reconnu et apprécié par ceux qui sont expérimentés usuellement dans le métier que l'invention peut également être mise en pratique sur des trépan qui portent d'autres couteaux très abrasifs, comme par exemple des compnmés de diamant polycristallin thermiquement 

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 stable, ou TSP (= Thermally Stable Polycrystalline) par exemple agencés en un motif de mosaïque comme cela est connu dans le métier pour simuler la face de coupe d'un couteau en PDC. Des couteaux à film de diamant peuvent également être utilisés ainsi que des comprimés de nitrure de bore cubique. 



   Bien que la présente invention a été décrite présentement par rapport à certaines formes de réalisation préférées, ceux qui sont expérimentés de manière usuelle dans le métier reconnaîtront et apprécieront qu'elle n'est pas limitée à cela. 



  Plutôt, plusieurs additions, suppressions et modifications aux formes de réalisation préférées peuvent être réalisées sans s'écarter de la portée de l'invention telle que revendiquée ci-après. De plus, des particularités d'une forme de réalisation peuvent être combinées à des particularités d'une autre forme de réalisation tout en étant comprises dans la portée de l'invention telle que considérée par les inventeurs. De plus, l'invention a une utilité tant dans des trépans de forage complet que dans des trépans de carottage, et avec différents profils de trépans ainsi que types de couteaux, configurations et approches de montage.

Claims

REVENDICATIONS 1. Trépan de forage pour du forage souterrain, comprenant : un corps comportant un axe déterminant un axe de rotation, et comprenant une extrémité antérieure pour entrer en contact avec une formation pendant le forage et une extrémité postérieure comportant une structure qui y est associée pour raccorder la structure de forage à un train de tiges de forage, au moins un couteau fixé au corps, sur l'extrémité antérieure à une distance radiale à partir de l'axe, et sur l'extrémité antérieure, au moins un élément porteur allongé positionné à approximativement la même distance radiale à partir de l'axe que celle dudit couteau, ledit au moins un élément porteur allongé étant dimensionné,

positionné et orienté de façon à se situer sensiblement complètement dans un trajet coupé dans la formation souterraine par ledit au moins un couteau lors d'une rotation de la structure de forage.
2. Trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un couteau comprend une pluralité de couteaux et en ce que ledit au moins un élément porteur allongé comprend une pluralité d'éléments porteurs allongés.
3. Trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins certains des éléments porteurs allongés sont positionnés pour suivre ledit au moins un couteau, lorsque pris dans un sens de rotation projetée du trépan.
4. Trépan de forage suivant la revendication 2, caractérisée en ce qu'au moins certains des éléments porteurs allongés sont allongés suivant un arc qui a un rayon sensiblement égal aux distances radiales entre lesdits au moins certains éléments porteurs allongés et l'axe.
5. Trépan de forage suivant la revendication 2, caractérisée en ce qu'au moins certains éléments porteurs allongés sont de section transversale arquée, prise transversalement à la direction d'allongement. <Desc/Clms Page number 14>
6. Trépan de forage suivant la revendication 2, caractérisée en ce que les surfaces porteuses de chacun desdits au moins certains éléments porteurs allongés sont orientées selon au moins un angle par rapport à un plan transversal à l'axe, ledit angle étant sensiblement le même qu'un angle du trajet parcouru par ledit couteau lorsque le trépan de forage est en cours de forage à un taux de pénétration donné.
7. Trépan de forage suivant la revendication 2, caractérisée en ce qu'au moins certaines parties des surfaces porteuses d'au moins certains des éléments porteurs allongés sont munies d'au moins une structure résistant à l'usure.
8. Trépan de forage suivant la revendication 7, caractérisée en ce que ladite au moins une structure résistant à l'usure est au moins un élément inséré en carbure de tungstène, au moins un comprimé de diamant polycristallin, au moins un comprimé de diamant polycristallin thermiquement stable, au moins un diamant naturel, des particules de diamant, au moins un film de diamant, ou au moins un comprimé de nitrure de bore cubique.
9. Trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un couteau est un comprimé de diamant polycristallin, un groupe de comprimés de diamant polycristallin thermiquement stable, un couteau à film de diamant, ou un comprimé de nitrure de bore cubique.
10. Trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un couteau est un couteau très abrasif.
11. Trépan de forage suivant la revendication 10, caractérisée en ce que ledit au moins un couteau très abrasif comprend une table de diamant polycristallin en forme de disque, comportant une face de coupe orientée sensiblement dans un sens de rotation projetée du trépan.
12. Trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce ledit au moins un élément porteur allongé est formé avec une extrémité antérieure non agressive, prise dans un sens de rotation projetée du trépan.
13. Trépan de forage suivant la revendication 12, caractérisée en ce que ledit au moins un élément porteur allongé est formé avec une extrémité <Desc/Clms Page number 15> postérieure non agressive, prise dans un sens de rotation projetée du trépan.
14. Trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un élément porteur allongé est positionné pour suivre ledit au moins un couteau, lorsque pris dans un sens de rotation projetée du trépan.
15. Trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un élément porteur allongé est suivant un arc qui a un rayon sensiblement égal aux distances radiales entre ledit au moins un élément porteur allongé et l'axe.
16. Trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins un élément porteur allongé est de section transversale arquée, prise transversalement à la direction d'allongement.
17. Trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'une surface porteuse d'au moins un élément porteur allongé est orientée selon au moins un angle par rapport à un plan transversal à l'axe, ledit au moins un angle étant sensiblement le même qu'un angle du trajet parcouru par ledit couteau lorsque le trépan de forage est en cours de forage à un taux de pénétration donné.
18. Trépan de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins certaines parties d'une surface porteuse de l'au moins un élément porteur allongé sont munies d'au moins une structure résistant à l'usure.
19. Trépan de forage suivant la revendication 18, caractérisée en ce que ladite au moins une structure résistant à l'usure est un élément inséré en carbure de tungstène, un comprimé de diamant polycristallin, un comprimé de diamant polycristallin thermiquement stable, un diamant naturel, des particules de diamant, un film de diamant, ou un comprimé de nitrure de bore cubique.
20. Procédé de forage d'une formation souterraine, comprenant : - une disposition d'un trépan de forage tournant qui a une pluralité de couteaux fixés sur au moins une partie d'une extrémité antérieure de <Desc/Clms Page number 16> celui-ci à proximité d'une formation souterraine à forer, une application d'un poids sur, et une rotation du trépan de forage tournant pour amener les couteaux de la pluralité à entrer en prise avec la formation souterraine et à y couper des trajets sensiblement hélicoïdaux, et une entrée en contact de la formation souterraine avec des éléments porteurs allongés fixés sur au moins une partie de l'extrémité antérieure et qui suivent en rotation au moins certains des couteaux,

l'entrée en contact étant effectuée sensiblement complètement dans les trajets sensiblement hélicoïdaux coupés par cela dans la formation souterraine.
21. Procédé de forage suivant la revendication 20, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une mise en place de surfaces porteuses allongées des éléments porteurs allongés en un contact sensiblement continu avec la formation souterraine sous l'application d'un poids à, et d'une rotation du trépan de forage tournant.
22. Structure de forage pour du forage souterrain, comprenant : un corps comportant un axe déterminant un axe de rotation, et comprenant une extrémité antérieure pour entrer en contact avec une formation pendant le forage et une extrémité postérieure comportant une structure qui y est associée pour raccorder la structure de forage à un train de tiges de forage, au moins un couteau fixé au corps, sur l'extrémité antérieure à une distance radiale à partir de l'axe, et - sur l'extrémité antérieure, au moins un élément porteur allongé positionné à approximativement la même distance radiale à partir de l'axe que celle dudit couteau, ledit au moins un élément porteur allongé étant dimensionné,

positionné et orienté de façon à se situer sensiblement complètement dans un trajet coupé dans la formation souterraine par ledit au moins un couteau lors d'une rotation de la structure de forage.
23. Structure de forage suivant la revendication 22, caractérisée en ce que ledit au moins un couteau comprend une pluralité de couteaux et en <Desc/Clms Page number 17> ce que ledit au moins un élément porteur allongé comprend une pluralité d'éléments porteurs allongés.
24. Structure de forage suivant la revendication 23, caractérisée en ce qu'au moins certains des éléments porteurs allongés sont positionnés pour suivre ledit au moins un couteau, lorsque pris dans un sens de rotation projetée du trépan.
25. Structure de forage suivant la revendication 23, caractérisée en ce qu'au moins certains des éléments porteurs allongés sont allongés suivant un arc qui a un rayon sensiblement égal aux distances radiales entre lesdits au moins certains éléments porteurs allongés et l'axe.
26. Structure de forage suivant la revendication 23, caractérisée en ce qu'au moins certains éléments porteurs allongés sont de section transversale arquée, prise transversalement à la direction d'allongement.
27. Structure de forage suivant la revendication 23, caractérisée en ce que les surfaces porteuses de chacun desdits au moins certains éléments porteurs allongés sont orientées selon au moins un angle par rapport à un plan transversal à l'axe, ledit angle étant sensiblement le même qu'un angle du trajet parcouru par ledit couteau lorsque le trépan de forage est en cours de forage à un taux de pénétration donné.
28. Structure de forage suivant la revendication 23, caractérisée en ce qu'au moins certaines parties des surfaces porteuses d'au moins certains des éléments porteurs allongés sont munies de structures résistant à l'usure.
29. Structure de forage suivant la revendication 28, caractérisée en ce que les structure résistant à l'usure sont des éléments insérés en carbure de tungstène, des comprimés de diamant polycristallin, des comprimés de diamant polycristallin thermiquement stables, des diamants naturels, des particules de diamant, s un film de diamant, ou des comprimés de nitrure de bore cubique.
30. Structure de forage suivant la revendication 22, caractérisée en ce que ledit au moins un couteau est un comprimé de diamant polycristallin, un groupe de comprimés de diamant polycristallin thermiquement stables, un <Desc/Clms Page number 18> couteau à film de diamant, ou un comprimé de nitrure de bore cubique.
31. Structure de forage suivant la revendication 22, caractérisée en ce que ledit au moins un couteau est un couteau très abrasif.
32. Structure de forage suivant la revendication 31, caractérisée en ce que ledit au moins un couteau très abrasif comprend une table de diamant polycristallin en forme de disque, comportant une face de coupe orientée sensiblement dans un sens de rotation projetée du trépan.
33. Structure de forage suivant la revendication 22, caractérisée en ce ledit au moins un élément porteur allongé est formé avec une extrémité antérieure non agressive, prise dans un sens de rotation projetée du trépan.
34. Structure de forage suivant la revendication 33, caractérisée en ce que ledit au moins un élément porteur allongé est formé avec une extrémité postérieure non agressive, prise dans un sens de rotation projetée du trépan.
35. Structure de forage suivant la revendication 22, caractérisée en ce que ledit au moins un élément porteur allongé est positionné pour suivre ledit au moins un couteau, lorsque pris dans un sens de rotation projetée du trépan.
36. Structure de forage suivant la revendication 22, caractérisée en ce que ledit au moins un élément porteur allongé est suivant un arc qui a un rayon sensiblement égal aux distances radiales entre ledit au moins un élément porteur allongé et l'axe.
37. Structure de forage suivant la revendication 22, caractérisée en ce qu'au moins un élément porteur allongé est de section transversale arquée, prise transversalement à la direction d'allongement.
38. Structure de forage suivant la revendication 22, caractérisée en ce qu'une surface porteuse d'au moins un élément porteur allongé est orientée selon au moins un angle par rapport à un plan transversal à l'axe, ledit au moins un angle étant sensiblement le même qu'un angle du trajet parcouru par ledit couteau lorsque la structure de forage est en cours de forage à un taux de pénétration donné. <Desc/Clms Page number 19>
39. Structure de forage suivant la revendication 22, caractérisée en ce qu'au moins certaines parties d'une surface porteuse de l'au moins un élément porteur allongé sont munies d'au moins une structure résistant à l'usure.
40. Structure de forage suivant la revendication 39, caractérisée en ce que ladite au moins une structure résistant à l'usure est un élément inséré en carbure de tungstène, un comprimé de diamant polycristallin, un comprimé de diamant polycristallin thermiquement stable, un diamant naturel, des particules de diamant, un film de diamant, ou un comprimé de nitrure de bore cubique.
41. Procédé de forage d'une formation souterraine, comprenant : une disposition d'une structure de forage tournante qui a une pluralité de couteaux fixés sur au moins une partie d'une extrémité antérieure de celle-ci à proximité d'une formation souterraine à forer, - une application d'un poids sur, et une rotation de, la structure de forage tournante pour amener les couteaux de la pluralité à entrer en prise avec la formation souterraine et à y couper des trajets sensiblement hélicoïdaux, et - une entrée en contact de la formation souterraine avec des éléments porteurs allongés fixés sur au moins une partie de l'extrémité antérieure et qui suivent en rotation au moins certains des couteaux, l'entrée en contact étant effectuée sensiblement complètement dans les trajets sensiblement hélicoïdaux coupés par cela dans la formation souterraine.
42. Procédé de forage suivant la revendication 41, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une mise en place de surfaces porteuses allongées des éléments porteurs allongés en un contact sensiblement continu avec la formation souterraine sous l'application d'un poids à, et d'une rotation de, la structure de forage tournante.