BE1016272A3 - Trepan et procede de forage. - Google Patents

Abstract

Trépan pour du forage souterrain, comprenant un corps de trépan comportant une ligne centrale logitudinale, et une extrémité antérieure présentant une face pour enter en contact avec une formation qui a une résistance à la compression maximale pendant le forage, la face de l'extrémité antérieure étant configurée pour comporter une surface porteuse totale d'une dimension suffisante pour sensiblement supporter le corps de trépan lorsque le corps est forcé contre la formation à un poids sur l'outil maximal, donnant lieu sur la formation à une charge unitaire qui ne dépasse pas la résistance à la compression maximale de la formation, et au moins un couteau très abrasif pour entrer en prise avec la formation pendant le forage et fixé sur une partie sélectionnée de la face de l'extrémité antérieure, ledit couteau très abrasif présentant une valeur limitée d'exposition de couteau perpendiculairement à la partie sélectionnée de la face de l'extrémité antérieure à laquelle ledit couteau est fixé, pour limiter une profondeur de coupe maximale dudit couteau dans la formation qui a la résitance à la compression maximale pendant le forage

Description

  D130900
1-
"Trépan et procédé de forage"
Domaine technique La présente invention se rapporte des trépans raclants tournants pour du forage de formations souterraines, et à leur fonctionnement. Plus précisément, la présente invention se rapporte à la conception de trépans de ce genre pour un rendement optimal dans le contexte de commander la sollicitation des couteaux et la profondeur de coupe sans produire une valeur excessive de couple sur le trépan si le poids sur le trépan était augmenté jusqu'à un niveau qui dépasse le poids optimal sur le trépan pour un taux de pénétration courant du trépan. Etat antérieur de la technique
Des trépans tournants raclants, qui utilisent des couteaux en comprimé de diamant polycristallin (PDC = Polycrystalline Diamond Compact) ont été utilisés depuis plusieurs décades.

   Des couteaux en PDC sont typiquement composés d'une "table" en diamant en forme de disque, formée sur et fixée, sous des conditions de haute pression et haute température, à un substrat porteur tel que du carbure de tungstène (WC = Tungstène Carbide) cémenté, bien que d'autres configurations soient connues. Des trépans portant des couteaux en PDC, qui peuvent être par exemple brases dans des poches dans la face du trépan, des poches dans des lames s'étendant à partir de la face, ou être montés sur des colonnettes insérées dans le corps du trépan, se sont avérés être très efficaces pour obtenir de hauts taux de pénétration (ROP = Rates of Pénétration) dans du forage de formations souterraines présentant des résistances à la compression faibles à moyennes.

   Des améliorations récentes dans la conception de régimes d'écoulements hydrauliques autour de la face des trépans, dans la conception des couteaux et dans la formulation du fluide de forage ont réduit d'importantes tendances précédentes 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 dégager les copeaux de formation de la face du trépan.
Même à la vue d'améliorations de ce genre, les couteaux en PDC souffrent cependant encore de ce qui pourrait simplement être appelé une "surcharge", même pour une poids sur le trépan (WOB = Weight-on-Bit) faible appliqué au train de tiges de forage sur lequel le trépan portant des couteaux de ce genre est monté,

   en particulier si des structures de coupe agressives sont utilisées. La relation entre couple et WOB peut être utilisée comme indicateur d'agressivité pour des couteaux, de sorte qu'au plus haut est le rapport entre couple et WOB, au plus agressif est le couteau. Ce problème est particulièrement important dans des formations à résistance à la compression faible où une profondeur de coupe (DOC = Depth of Cut) indûment grande peut être obtenue à un WOB extrêmement faible. Ce problème peut également être aggravé par un rebondissement de train de tiges de forage, dans lequel l'élasticité du train de tiges du forage peut provoquer une application erratique de WOB sur le trépan, avec une surcharge qui s'en suit.

   De plus, faire fonctionner des couteaux en PDC à une DOC excessivement élevée peut produire plus de copeaux de formation que ceux qui peuvent être dégagés logiquement de la face du trépan et en retour vers le trou de sonde par l'intermédiaire des encoches à débris sur la face du trépan, par même les techniques hydrauliques de trépan de l'état antérieur de la technique, améliorées mentionnées ci-dessus, ce qui amène au phénomène d'agglutination de trépans mentionné ci-dessus. Un autre problème séparé implique un forage à partir d'une zone ou strate à résistance à la compression de formation plus élevée vers une zone "plus tendre" à résistance inférieure.

   Lorsque le trépan fore dans la formation plus tendre sans changer le WOB appliqué (ou avant que le WOB puisse être changé par le foreur directionnel), la pénétration des couteaux en PDC et ainsi le couple résultant sur le trépan (TOB = Torque on the Bit) augmentent quasiment instantanément et d'une ampleur importante. Le couple brutalement plus élevé peut provoquer à son tour des dommages aux couteaux et/ou au corps de trépan lui-même. Dans du forage directionnel, un changement de ce genre amène l'orientation de la face d'outil du montage directionnel (mesure en cours de forage ou MWD = Measuring-While-Drilling, ou un guidage d'outil) à fluctuer, en rendant très difficile pour le foreur directionnel de suivre le trajet directionnel planifié pour le trépan.

   Ainsi, il peut être nécessaire pour le foreur directionnel de dégager le trépan du fond du trou de sonde pour remettre à l'état initial ou réorienter la face de l'outil. De plus, un moteur en fond de trou, par exemple des moteurs de type Moineau entraînés par du fluide de forage, utilisés usuellement dans des opérations de forage directionnel en combinaison avec un montage en fond de trou qui peut être guidé, peut caler complètement sous un accroissement soudain du couple. C'est-à-dire que le trépan peut s'arrêter de tourner en arrêtant par cela l'opération de forage et en nécessitant à nouveau un dégagement du trépan du fond du trou de sonde afin de rétablir un écoulement du fluide de forage et la puissance du moteur.

   Des interruptions de ce genre dans le forage d'un puits peuvent être consommatrices de temps et assez coûteuses.
De nombreuses tentatives utilisant différentes approches ont été réalisées au cours des années pour protéger l'intégrité des couteaux de diamant et de leurs structures de montage et pour limiter une pénétration des couteaux dans une formation en cours de forage. Par exemple, à partir d'une période même avant l'avènement de l'utilisation commerciale de couteaux en PDC, le US-A-3 709 308 décrit l'utilisation de diamants naturels ronds, en arrière, sur le corps de trépan afin de limiter la pénétration de diamants cubiques utilisés pour couper une formation.

   Le US-A-4 351 401 décrit l'utilisation de diamants naturels, posés en surface, à l'endroit ou près du calibre du trépan en tant que limiteurs de pénétration pour commander la profondeur de coupe de couteaux en PDC sur la face du trépan. Les autres brevets suivants décrivent l'utilisation d'une variété de structures de couteaux en PDC immédiatement en arrière (par rapport à la direction projetée de rotation du trépan) pour protéger les couteaux ou leurs structures de montage : US-A-4 889 017, US-A-4 991 670, US-A-5 244 039 et US-A-5 303 785. Le US-A-5 314 033 décrit entre autre l'utilisation de couteaux à inclinaison vers l'arrière positive et négative ou neutre, coopérants, 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 de trépan des structures ou particularités qui précèdent en rotation (plutôt que de suivre) des couteaux en PDC, comme cela est décrit dans les 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, celui des structures de forage dénommées "anti-tournoiement", il a été revendiqué dans le US-A-5 402 856 d'un des présents inventeurs, qu'une surface porteuse alignée avec une force radiale résultante produite par un élargisseur à anti-tournoiement devrait être dimensionnée de façon à ce qu'une force par surface appliquée à la paroi latérale du trou de sonde ne dépasse pas la résistance à la compression de la formation en cours d'élargissement.

   Voir également les US-A-4 982 802, US-A-5010789, US-A-5042 596, US-A-5 111 892 et US-A-5 131 478.
Bien que certains des brevets ci-dessus reconnaissent l'attrait de limiter une pénétration de couteaux ou DOC, ou de limiter autrement des forces appliquées à la surface du trou de sonde, les approches décrites sont quelque peu généralisées en nature et manquent d'accommoder ou de mettre en oeuvre une approche construite pour obtenir un ROP visé en combinaison avec un rendement de trépan plus stable, qui peut être annoncé d'avance.

   De plus, les approches décrites ne procurent pas un trépan ou procédé de forage qui tolère dans l'ensemble d'être sollicité axialement avec une valeur de poids sur le trépan au-delà et en surplus de ce qui serait optimal pour le taux de pénétration courant pour la formation particulière en cours de forage, et qui ne produirait pas de grandes valeurs de couple sur le trépan, pouvant arrêter le trépan ou endommager le trépan, si le trépan devait néanmoins être soumis à telles valeurs excessives de poids sur le trépan.
Description de l'invention La présente invention concerne les besoins ci-dessus en fournissant une conception de trépan bien raisonnée, pouvant aisément être mise en oeuvre et particulièrement appropriée pour des trépans raclants portant des couteaux en PDC,

   cette conception de trépan pouvant être adaptée aux besoins à des résistances ou plages de résistances à la compression de formations spécifiques, pour procurer une commande de DOC dans des termes tant de DOC maximum que de limitation de variabilité de DOC. Comme résultat, un ROP exécutable de manière continue peut être optimisé et commandé en couple même sous un WOB élevé, tandis qu'une sollicitation destructrice des couteaux en PDC est amplement empêchée.
La conception de trépan de la présente invention utilise des particularités de commande de profondeur de coupe (DOCC = Depth of Cut Control) qui réduisent ou limitent la dimension selon laquelle des couteaux en PDC ou d'autres types de couteaux ou éléments coupants sont exposés sur la face du trépan ou sur des structures à lames ou tels qu'autrement positionnés sur le trépan.

   Les particularités de DOCC de la présente invention procurent une aire importante sur laquelle le trépan peut circuler alors que les couteaux en PDC du trépan sont en prise avec la formation suivant la DOC de conception qui peut être déterminée comme étant la distance selon laquelle les couteaux en PDC sont effectivement exposés endessous des particularités de DOCC. Exprimé d'une autre manière, la distance des couteaux est sensiblement commandée par la valeur effective d'exposition des couteaux au-dessus de la surface ou des surfaces qui entourent chaque couteau.

   Ainsi, en construisant le trépan de façon à limiter l'exposition d'au moins certains des couteaux sur le trépan; une exposition limitée de ce genre des couteaux, en combinaison avec le fait que le trépan procure une ample aire de surface pour servir comme "surface porteuse" dans laquelle le trépan circule lorsque les couteaux entrent en prise avec la formation à leur DOC de conception respective, permet une DOC relativement supérieure (et ainsi un ROP pour une vitesse de rotation de trépan donnée) qu'avec une conception de trépan usuelle, sans les conséquences défavorables qui les accompagnent usuellement.

   En conséquence, les particularités de DOCC de la présente invention empêchent une DOC supérieure à celle conçue, en distribuant la sollicitation attribuable au WOB sur une aire de surface suffisante sur la face du trépan, des lames ou autres structures du corps de trépan entrant en contact avec la face de la formation au fond du trou de sonde, de façon à ce que la résistance à la compression de la formation ne soit pas dépassée par les particularités de DOCC. Comme résultat, le trépan n'entaille pas, ou n'endommage pas, de manière importante la roche de la formation.
Exprimé d'une autre manière, la présente invention limite le volume unitaire de matière de formation (roche) retirée par rotation du trépan afin d'empêcher le trépan de trop couper la matière de formation et d'agglutiner le trépan ou d'endommager les couteaux.

   Si le trépan est utilisé dans une opération de forage directionnel, une perte de face d'outil ou un blocage du moteur est également évité.
Dans une forme de réalisation, un trépan raclant tournant comprend de préférence une pluralité de structures de lames espacées sur la circonférence et s'étendant le long de l'extrémité antérieure, ou partie du trépan entrant en prise avec la formation, dans l'ensemble à partir de la zone conique proche de l'axe longitudinal ou ligne centrale du trépan, vers le haut jusqu'à la zone de calibre ou diamètre de forage maximal du trépan. Le trépan comprend en outre une pluralité d'éléments coupants ou couteaux très abrasifs, comme des couteaux en PDC, disposés de préférence sur des surfaces faisant face radialement vers l'extérieur de préférence de chacune des structures de lame.

   Suivant l'aspect de DOCC de la présente invention, chacun des couteaux positionnés dans au moins la zone conique du trépan, par exemple ces couteaux qui sont radialement les plus proches de la ligne centrale longitudinale et qui sont ainsi positionnés dans l'ensemble radialement vers l'intérieur d'une partie d'epaulement du trépan, sont disposés dans leurs structures de lame respectives de manière à ce que chacun de ces couteaux ne soit exposé que d'une valeur limitée audessus de la surface, faisant radialement face vers l'extérieur, des structures de lame dans lesquelles les couteaux sont disposés de manière associée.

   C'est-à-dire que chacun de ces couteaux présente une valeur limitée d'exposition perpendiculairement dans l'ensemble à la partie sélectionnée de la surface, faisant face à la formation, dans laquelle le couteau très abrasif est fixé pour commander la profondeur de coupe effective d'au moins un couteau très abrasif dans une formation lorsque le trépan est en cours de prise en rotation avec une formation, par exemple pendant un forage. En limitant ainsi la valeur d'exposition de ces couteaux par exemple par le fait que les couteaux sont fixés dans et sont essentiellement entourés par des poches ou cavités recevant les couteaux, la DOC de ces couteaux dans la formation est efficacement et individuellement commandée.

   Ainsi, sans tenir compte de la valeur du WOB placé ou appliqué sur le trépan, même si le WOB dépasse ce qui serait considéré comme une valeur optimale pour la dureté de la formation en cours de forage et pour le ROP selon lequel le trépan est usuellement prévu, le couple résultant ou TOB sera commandé ou modulé. Ainsi, parce que ces couteaux ont une valeur réduite d'exposition au-dessus de la surface respective, faisant face à la formation, dans laquelle ils sont installés, en particulier en comparaison à des agencements d'installations de couteaux de l'état antérieur de la technique, le TOB résultant, produit par le trépan, sera limité à une valeur maximale acceptable.

   Le résultat avantageux est attribuable aux particularités ou caractéristiques de DOCC de la présente invention, qui empêchent efficacement au moins un nombre suffisant du nombre total des couteaux d'entrer exagérément en prise avec la formation et d'amener potentiellement la rotation du trépan à ralentir ou se bloquer en raison d'une valeur inacceptablement élevée du couple qui est produit.

   De plus, les particularités de DOCC de la présente invention sont essentiellement non affectées par des valeurs excessives de WOB, comme il y aura de préférence une valeur ou dimension suffisante d'aire de surface porteuse dépourvue de couteaux sur au moins l'extrémité antérieure du trépan, par laquelle le trépan peut "circuler" sur la formation pour empêcher ou éviter que survienne un blocage du trépan induit par le couple.
En variante, des trépans utilisant les aspects de DOCC de la présente invention peuvent avoir des couteaux à exposition réduite, positionnés radialement plus loin que ces couteaux à proximité de la ligne centrale longitudinale du trépan, par exemple dans la zone conique.

   Pour pousser dans les détails, des couteaux présentant une exposition réduite peuvent être positionnés dans d'autres zones d'un trépan mettant en oeuvre les aspects de DOCC de la présente invention. Par exemple, des couteaux à exposition réduite, positionnés sur les parties comparativement plus distantes radialement de nez, d'epaulement, de flanc et de calibre d'un trépan présenteront une valeur limitée d'exposition de couteau perpendiculairement dans l'ensemble à la partie sélectionnée de la surface, faisant face radialement vers l'extérieur, sur laquelle chacun des couteaux à exposition réduite est respectivement fixé.

   Ainsi, les surfaces qui portent et entourent de façon proche chacun des couteaux supplémentaires à exposition réduite seront disponibles pour contribuer à l'aire de surface porteuse combinée totale sur laquelle le trépan sera à même de circuler sur la formation lorsque la profondeur de coupe maximale respective de chaque couteau supplémentaire à exposition réduite est obtenue en fonction du WOB du moment et de la dureté de la formation en cours de forage.
En prévoyant des particularités de DOCC qui ont une aire de surface cumulative suffisante pour supporter un WOB donné sur une formation de roche donnée, de préférence sans entaille ou endommagement sensible de celle-ci, le WOB peut être considérablement accru si cela est souhaité, au-delà de ce qui est utilisable dans du forage avec des trépans usuels,

   sans que les couteaux en PDC ne subissent aucun WOB effectif supplémentaire après que les particularités de DOCC soient en complet contact avec la formation. Ainsi, les couteaux en PDC sont protégés d'un endommagement et, d'égale importance, les couteaux en PDC sont empêchés d'entrer en prise avec la formation à une profondeur de coupe supérieure et de produire en conséquence un couple excessif qui pourrait bloquer un moteur ou provoquer une perte d'orientation de la face de l'outil.
L'aptitude à accroître considérablement le WOB sans affecter défavorablement les couteaux en PDC permet également l'utilisation d'un WOB sensiblement au-dessus et au-delà de l'ampleur applicable, sans les effets défavorables associés à des trépans usuels, pour conserver le trépan en contact avec la formation,

   réduire les vibrations et augmenter la cohérence et la profondeur d'entrée en prise des couteaux avec la formation. De plus, une vibration de train de tiges de forage ainsi que des effets axiaux dynamiques, usuellement désignés par "rebond", du train de tiges de forage sous un couple et un WOB appliqués peuvent être amortis de façon à conserver la DOC de conception pour les couteaux en PDC. A nouveau, dans le contexte d'un forage directionnel, cette capacité assure le maintien de la face d'outil et d'un fonctionnement sans blocage d'un moteur associé, en fond de trou, qui entraîne le trépan.
II est particulièrement considéré que les particularités de DOCC suivant la présente invention peuvent être appliquées à des trépans de carottage aussi bien des trépans de trou total.

   Tel qu'utilisé présentement, le terme "trépan" comprend des trépans de carottage et d'autres trépans à des fins spéciales. Une utilisation de ce genre, à titre d'exemple seulement, peut être particulièrement avantageuse lors d'un carottage à partir d'une tour de forage flottante ou plate-forme, dans lequel le WOB est difficile à commander en raison d'un déplacement de la tour induit par l'action de vagues de l'eau de surface.

   Lorsqu'on utilise la présente invention, un WOB en excès par rapport à ce qui est normalement requis pour du carottage peut être appliqué au train de tiges de forage pour garder le trépan de carottage sur le fond et conserver l'intégrité et l'orientation de la carotte.
II est également particulièrement considéré que les attributs de DOCC de la présente invention ont une utilité particulière pour commander et en particulier réduire un couple nécessaire pour faire tourner des trépans raclants tournants lorsque le WOB est accru.

   Bien qu'un couple relatif puisse être réduit en comparaison de celui qui est nécessaire pour des trépans usuels pour un WOB donné, en utilisant les particularités de DOCC à n'importe quel rayon ou gamme de rayons à partir de la ligne centrale du trépan, une variation dans le positionnement des particularités de DOCC par rapport à la ligne centrale du trépan peut être une technique utile pour limiter davantage le couple puisque la sollicitation axiale sur le trépan, en provenance du WOB appliqué, est plus lourdement accentuée vers la ligne centrale et que la composante de frottement du couple est liée à une telle sollicitation axiale. En conséquence, la présente invention comporte en variante le fait de procurer un trépan dans lequel la valeur d'exposition des couteaux varie par rapport aux positions respectives des couteaux sur la face du trépan.

   A titre d'exemple, un ou plusieurs des couteaux positionnés dans le cône ou la zone du trépan à proximité de la ligne centrale du trépan sont exposés suivant une première valeur ou quantité pour procurer une première DOC et un ou plusieurs couteaux positionnés dans les zones de nez et d'epaulement, radialement plus distantes, du trépan sont exposés selon une seconde valeur ou quantité pour procurer une seconde DOC.

   Ainsi, un profil de DOC spécifiquement construit peut être incorporé dans la conception d'un trépan qui met en oeuvre la présente invention afin d'adapter ou façonner de manière particulière les caractéristiques de fonctionnement du trépan afin d'obtenir un ROP maximal tout en minimisant et/ou modulant le TOB au WOB courant, même si le WOB est supérieur à ce qui serait sinon souhaité pour le ROP et la dureté spécifique de la formation en cours de forage alors.
De plus, des trépans qui mettent en oeuvre la présente invention peuvent comprendre des structures de lame dans lesquelles la valeur d'exposition de chaque couteau positionné sur chaque structure de lame a une DOC particulière et unique en variante et de manière individuelle, ainsi que des angles d'inclinaison vers l'arrière effectifs, sélectionnés individuellement et éventuellement uniques,

   en donnant lieu ainsi à ce que chaque lame du trépan a un profil de section transversale de DOC présélectionné, lorsque pris longitudinalement parallèlement à la ligne centrale du trépan et pris radialement jusqu'à la partie de calibre la plus externe de chaque lame. De plus, un trépan qui comprend les particularités de DOCC de la présente invention n'a pas besoin d'avoir des couteaux installés sur ou portés par des structures lames puisque des couteaux qui ont une valeur limitée d'exposition perpendiculairement à l'extérieur du trépan dans lequel chaque couteau est disposé peuvent être incorporés dans des zones de trépans dans lesquels aucune structure de lame n'est présente.

   C'est-à-dire que des trépans qui incorporent la présente invention peuvent être complètement démunis entièrement de structures de lame, comme par exemple un trépan de carottage.
Un procédé de construction d'un trépan suivant la présente invention est décrit en plus ici. Le procédé comprend le fait d'équiper au moins une partie du trépan avec au moins une poche ou cavité de réception d'élément coupant sur une surface qui fera finalement face à et entrera en prise avec une formation lorsque le trépan sera mis en fonctionnement. Ce procédé de construction d'un trépan pour forer des formations souterraines comprend un disposition, dans au moins une poche de réception de couteau, d'un couteau qui présente une valeur limitée d'exposition perpendiculairement à la surface, faisant face à la formation, proche du couteau et sur laquelle le couteau est fixé.

   En variante, la surface qui fait face à la formation peut être constituée par un rechargement dur, une soudure, un assemblage soudé ou une autre matière qui est disposée sur la surface entourant le couteau, de façon à procurer une surface porteuse d'une dimension suffisante tout en limitant également la valeur d'exposition du couteau dans une gamme présélectionnée pour commander de manière efficace la profondeur de coupe que le couteau peut réaliser lorsqu'un certain WOB est dépassé et/ou lorsqu'une formation d'une résistance à la compression particulière est rencontrée.
Une autre variante encore consiste à procurer des nodules ou structures d'usure façonnées en une matière appropriée et qui s'étendent vers l'extérieur et perpendiculairement dans l'ensemble à partir de la face du trépan,

   à proximité générale d'au moins un ou plusieurs des couteaux à exposition réduite. Des nodules d'usure de ce genre peuvent être positionnés derrière, ou en arrière, en rotation de chaque couteau à exposition réduite prévu, de manière à augmenter les aspects de DOCC procurés par la surface porteuse qui respectivement porte et entoure de manière proche une partie importante de chaque couteau à exposition réduite. Ainsi, les nodules d'usure ou bossages d'usure en variante procurent une aire de surface porteuse dans laquelle le trépan peut circuler sur la formation pour la DOC maximale de ce couteau qui est obtenue pour la dureté de la présente formation et ensuite pour le WOB courant.

   Des nodules ou bossages d'usure de ce genre peuvent comprendreune matière de rechargement dur, une structure prévue lors de la coulée ou du moulage du corps de trépan ou, dans le cas de trépans à corps d'acier, peuvent comprendre des assemblages soudés, des structures fixées au corps de trépan par des procédés connus dans le métier de la construction de trépans souterrains ou par des soudures de surface sous la forme d'une ou de plusieurs perles de soudure ou d'autres configurations ou géométries.
Un procédé de forage d'une formation souterraine est décrit en plus. Le procédé de forage comprend une entrée en prise d'une formation avec au moins un couteau et de préférence une pluralité de couteaux, un ou plusieurs des couteaux présentant chacun une valeu? limitée d'exposition perpendiculairement à une surface dans laquelle chaque couteau est fixé.

   Dans une forme de réalisation, plusieurs de la pluralité des couteaux à exposition limitée sont positionnés sur une surface, faisant face à la formation, d'au moins une partie ou zone d'au moins une structure de lame afin de donner un écartement de couteau et un profil d'exposition de couteau pour cette lame, et de préférence pour une pluralité de lames, qui permettront au trépan d'entrer en prise avec la formation dans une ample gamme de WOB sans produire une valeur excessive de TOB, même à des WOB élevés, pour le ROP du moment, pour lequel le trépan est prévu.

   Le procédé comprend de plus une forme de réalisation en variante dans laquelle le forage est conduit avec en premier lieu seulement les couteaux à exposition réduite qui entrent en prise avec une formation relativement dure, dans une gamme sélectionnée de WOB et, lorsqu'une formation plus tendre est rencontrée et/ou une valeur accrue de WOB est appliquée, au moins une surface porteuse qui entoure au moins un couteau à exposition réduite ou limitée et de préférence une pluralité de surfaces porteuses suffisamment dimensionnées et qui entourent respectivement une pluralité de couteaux à exposition réduite entrent en contact avec la formation et limitent ainsi la DOC de chaque couteau à exposition réduite ou limitée tout en permettant que le trépan circule sur la surface porteuse ou les surfaces porteuses, contre la formation,

   sans tenir compte du WOB qui est appliqué sur le trépan et sans produire un TOB inacceptablement élevé, potentiellement dommageable pour le trépan, pour le ROP courant.
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 de forage et des formes de réalisation particulières du trépan suivant l'invention. 5réve description des dessins La figure 1 est une vue du bas en regardant vers le haut vers la face d'une forme de réalisation d'un trépan qui comprend les particularités de DOCC suivant l'invention.

   La figure 2 est une vue du bas en regardant vers le haut vers la face d'une autre forme de réalisation d'un trépan comportant les particularités de DOCC suivant l'invention.
La figure 2A est une vue en coupe latérale du profil du trépan de la figure 2. La figure 3 est un graphique représentant un couple prévu mathématiquement, par rapport au WOB pour des conceptions de trépans usuelles qui utilisent des couteaux selon différentes inclinaisons vers l'arrière, par rapport à un trépan semblable suivant la présente invention.
La figure 4 est une vue latérale schématique en élévation, non à l'échelle, qui compare un positionnement, de l'état antérieur de la technique, d'une structure limitant une profondeur de coupe, très proche derrière un couteau sur le même rayon, pris le long d'un tracé de rotation sur 360[deg.],

   par rapport à un positionnement suivant la présente invention et qui précède le couteau et sur le même rayon. La figure 5 est une vue latérale schématique d'une particularité de
DOCC à deux étages et d'un couteau en PDC en arrière associé.
Les figures 6A et 6B sont respectivement des vues schématiques d'une particularité de DOCC à surface porteuse à angle unique et à surface porteuse à angles multiples. Les figures 7 et 7A sont respectivement une vue schématique latérale en coupe partielle d'une forme de réalisation d'une particularité de DOCC pivotante et d'un couteau en PDC en arrière associé, et une vue en regardant vers l'avant, à l'endroit de la particularité de DOCC pivotante, à partir de l'emplacement du couteau en PDC associé.

   Les figures 8 et 8A sont respectivement une vue latérale schématique en coupe partielle d'une forme de réalisation d'une particularité de DOCC d'un type à galet et d'un couteau en arrière associé, et une vue transversale en coupe partielle du montage des particularités de DOCC du type à galet du trépan.
Les figures 9A à 9D représentent des vues schématiques supplémentaires en coupe partielle d'autres particularités de DOCC pivotantes suivant l'invention.
Les figures 10A et 10B sont des vues schématiques latérales en coupe partielle de variantes d'une combinaison de supports de couteaux et de particularités de DOCC suivant la présente invention.

   La figure 11 est une vue frontale d'une particularité de DOCC du type en canal annulaire, en combinaison avec des couteaux en PDC en arrière associés.
Les figures 12 et 12A sont respectivement une vue schématique latérale en coupe partielle d'une particularité de DOCC du type à patin d'appui à fluide suivant la présente invention, et d'un couteau en PDC en arrière associé, et une vue en regardant vers le haut à l'endroit de la surface porteuse du patin.
Les figures 13A,

   13B et 13C sont des coupes transversales de différentes configurations en coupe transversale pour les particularités de DOCC suivant la présente invention.
La figure 14A est une vue en perspective de la face d'une forme de réalisation d'un trépan qui présente huit structures de lames comprenant des couteaux à exposition réduite disposés sur au moins certaines des lames suivant la présente invention.
La figure 14B est une vue du bas, de la face du trépan à titre d'exemple de la figure 14A.

   La figure 14C est une vue photographique, du bas, de la face d'un autre trépan à titre d'exemple, qui met en oeuvre la présente invention et qui présente six structures de lame et un profil de couteaux différent du profil de couteaux du trépan, à titre d'exemple, représenté aux figures 14A et 14B.
La figure 15A est une vue schématique latérale en coupe partielle, montrant le profil de couteaux et l'écartement radial de couteaux positionnés de manière adjacente, le long d'une unique lame représentative d'un trépan qui met en oeuvre la présente invention.
La figure 15B est une vue schématique latérale en coupe partielle, montrant le profil de couteaux combinés, comprenant un recouvrement de couteau à couteau, des couteaux positionnés le long de toutes les lames,

   lorsqu'ils sont superposés sur une unique lame représentative.
La figure 15C est une vue latérale schématique en coupe partielle, montrant la valeur d'exposition de couteau le long du profil de couteaux tel que représenté dans les figures 15A et 15B, les couteaux étant retirés pour la clarté, et elle montre de plus un profil représentatif, en variante, de nodule d'usure ou de nuage d'usure.
La figure 16 est une vue latérale schématique, en coupe partielle, agrandie et isolée, qui représente un profil de couteaux superposés, à titre d'exemple, présentant une valeur relativement faible de recouvrement de couteaux suivant la présente invention.
La figure 17 est une vue latérale schématique en coupe partielle, agrandie et isolée, représentant un profil de couteaux superposés, à titre d'exemple,

   présentant une valeur relativement grande de recouvrement de couteaux suivant la présente invention. La figure 18A est une vue frontale schématique isolée de trois couteaux représentatifs positionnés dans la zone conique d'une structure de lame représentative d'un trépan représentatif, chaque couteau étant exposé selon une valeur présélectionnée de façon à limiter la DOC des couteaux,

   bien qu'en prévoyant également des zones de saignée distinctes entre des couteaux dans la surface porteuse de la lame dans laquelle les couteaux sont fixés et contribuant à l'aptitude du trépan à circuler ou frotter sur la formation lorsqu'un trépan qui met en oeuvre la présente invention est en fonctionnement.
La figure 18B est une vue latérale schématique en coupe partielle d'un des couteaux représentés à la figure 18A lorsque le couteau entre en prise avec une formation relativement dure et/ou lorsqu'il entre en prise avec une formation selon un
WOB relativement faible, en donnant lieu à une première DOC moindre que le maximum.
La figure 18C est vue latérale schématique en coupe partielle du couteau représenté à la figure 18A,

   lorsque le couteau entre en prise avec une formation relativement tendre et/ou entre en prise avec une formation selon un WOB relativement élevé, en donnant lieu à une seconde DOC essentiellement maximale.
La figure 19 est un graphique représentant des résultats de tests de laboratoire, d'agressivité par rapport à une DOC pour un trépan dirigeable (STR bit =
Steerable bit), représentatif, de l'état antérieur de la technique, pour un trépan usuel ou standard d'usage général (STD bit = Standard bit) et pour deux trépans, à titre d'exemple, qui mettent en oeuvre la présente invention (RE-W et RE-S) testés dans une formation calcaire de Carthage à la pression atmosphérique.
La figure 20 est un graphique représentant des résultats de tests de laboratoire de WOB par rapport à ROP pour les trépans testés.

   La figure 21 est un graphique représentant des résultats de tests de laboratoire de TOB par rapport à ROP pour les trépans testés.
La figure 22 est un graphique représentant des résultats de tests de laboratoire de TOB par rapport à WOB pour les trépans testés.
Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
Meilleur(s) mode(s) pour la mise en oeuyre de l'invention La figure 1 des dessins représente un trépan raclant tournant 10 en regardant vers le haut à l'endroit de sa face ou extrémité antérieure 12 comme si le spectateur était positionné au fond d'un trou de sonde.

   Le trépan 10 comprend une pluralité de couteaux en PDC 14 fixés par leurs substrats (tables de diamant et substrats non représentés séparément pour la clarté), par exemple par brasure, 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". Des trépans de ce genre comprennent une masse de poudre métallique, par exemple du carbure de tungstène, infiltrée avec un liant fondu et qui peut être subséquemment durci, par exemple un alliage à base du cuivre. Cependant, il devrait être compris que la présente invention n'est pas limitée à des trépans du type à matrice et que des trépans à corps d'acier et des trépans d'une autre fabrication peuvent également être configurés suivant la présente invention.

   Des canaux à fluide 20 se trouvent entre les lames 18 et sont fournis en fluide de forage par des ajutages 22 fixés dans des orifices d'ajutage 24, les orifices 24 étant situés à l'extrémité de passages qui conduisent à partir d'un espace s'étendant dans le corps de trépan, à partir d'une tige tubulaire à l'extrémité supérieure ou postérieure du trépan (voir la figure 2A en combinaison avec le texte annexé pour une description de ces particularités). Les canaux à fluide 20 s'étendent jusqu'à des encoches à débris 26 qui s'étendent vers le haut le long du côté du trépan 10, entre les lames 18. Des patins de calibre 19 comportent, longitudinalement vers le haut, des extensions des lames 18 et peuvent comporter sur leurs surfaces radialement externes 21 des éléments insérés ou revêtements résistant à l'usure, comme cela est connu dans le métier.

   Des copeaux de formation sont balayés des couteaux en PDC 14 par du fluide de forage F qui sort des orifices d'ajutage 24 et qui se déplace radialement vers le haut dans l'ensemble, à travers les canaux à fluide 20, et ensuite vers le haut à travers les encoches à débris 26 jusqu'à un annulaire entre le train de tiges de forage auquel le trépan 10 est suspendu, et jusqu'à la surface. Une pluralité de particularités de DOCC, chacune comprenant un segment porteur 30a à 30f arqué, se trouvent sur, et dans certains cas font un pont entre, des lames 18. En particulier, les segments porteurs 30b et 30e se trouvent chacun partiellement sur une lame 18 adjacente et s'étendent entre celles-ci.

   Les segments porteurs arqués 30a à 30f, dont chacun est situé sensiblement le long du même rayon à partir de la ligne centrale du trépan qu'un couteau en PDC 14 en arrière, en rotation, de ce segment porteur 30, procurent ensemble une aire de surface suffisante pour résister au WOB axial ou longitudinal sans dépasser la résistance à la compression de la formation en cours de forage, de sorte que la roche ne s'entaille pas ou ne s'endommage pas et que la pénétration des couteaux en PDC 14 dans la roche est essentiellement commandée.

   Comme on peut le voir à la figure 1 , des éléments ou éléments insérés 32 résistant à l'usure, sous la forme de briques ou disques de carbure de tungstène, de particules de diamant, de film de diamant, de diamant naturel ou synthétique (PDC ou TSP), ou de nitrure de bore cubique, peuvent être ajoutés aux surfaces porteuses extérieures des segments porteurs 30 afin d'en réduire l'usure par abrasion par contact avec la formation sous un WOB lorsque le trépan 10 tourne sous un couple appliqué. Au lieu d'éléments insérés, les surfaces porteuses peuvent être formées de, ou complètement recouvertes de, une matière résistant à l'usure. L'importance des caractéristiques d'usure des particularités de DOCC sera expliquée avec plus de détails ci-dessous.

   Les figures 2 et 2A représentent une autre forme de réalisation d'un trépan tournant 100 suivant la présente invention, et des particularités et éléments des figures 2 et 2A correspondant à ceux qui sont identifiés en ce qui concerne le trépan 10 de la figure 1 sont identifiés avec les mêmes numéros de référence. La figure 2 représente un trépan tournant 100, en regardant vers le haut à l'endroit de sa face 12 comme si le spectateur était positionné au fond d'un trou de sonde. Le trépan 100 comprend également une pluralité de couteaux en PDC 14 fixés par leurs substrats (tables en diamant et substrats n'étant pas montrés séparément pour la clarté), par exemple par brasure, dans des poches 16, dans des lames 18 qui s'étendent audessus de la face 12 du trépan 100.

   Des canaux à fluide 20 se trouvent entre les lames 18 et sont alimentés en fluide de forage F par des ajutages 22 fixés dans des orifices d'ajutage 24, les orifices 24 étant situés à l'extrémité de passages 36 qui conduisent à partir d'un espace 38 s'étendant dans le corps de trépan 40, à partir d'une tige tubulaire 42 filetée (non représentée) sur sa surface extérieure 44, comme cela est connu dans le métier, à l'extrémité supérieure du trépan (voir la figure 2A). Les canaux à fluide 20 s'étendent jusqu'à des encoches à débris 26 qui s'étendent vers le haut le long du côté du trépan 10, entre les lames 18.

   Des patins de calibre 19 comportent, longitudinalement vers le haut, des extensions des lames 18 et peuvent comporter, sur leurs surfaces 21 radialement externes, des éléments insérés ou revêtements résistant à l'usure, comme cela est connu dans le métier.
Une pluralité de particularités de DOCC, chacune comprenant un segment porteur arqué 30a à 30f, se trouvent sur, et dans certains cas font un pont entre, des lames 18. En particulier, les segments porteurs 30b et 30e se trouvent chacun partiellement sur une lame adjacente 18 et s'étendent entre elles.

   Les segments porteurs arqués 30a à 30f, dont chacun se trouve sensiblement le long du même rayon à partir de la ligne centrale du trépan qu'un couteau en PDC 14 en arrière, en rotation, de ce segment porteur 30, procurent ensemble une aire de surface suffisante pour résister au WOB axial ou longitudinal sans dépasser la résistance à la compression de la formation en cours de forage, de sorte que la roche ne s'entaille ou ne s'endommage pas indûment et que la pénétration des couteaux en PDC 14 dans la roche soit sensiblement commandée.
A titre d'exemple seulement, l'aire de surface totale de particularités de DOCC pour un trépan d'un diamètre de 0,216 mètres (m) (8,5 pouces) configuré dans l'ensemble comme montré aux figures 1 et 2 peut être d'approximativement 0,0077 mètre carré (12 pouces carré).

   Si par exemple la résistance à la compression non confinée d'une formation relativement tendre, à forer par le trépan soit 10 soit 100, est de 13,8 * 10<6>Newtons par mètre carré (Pa) (2.000 livres par pouce carré (psi)), alors au moins approximativement 106 kN (24.000 livres) de WOB peuvent être appliqués sans mettre en danger ou entailler la formation. Un WOB de ce genre est de loin en excès par rapport au WOB qui peut usuellement être appliqué sur un trépan dans des formations de ce genre (par exemple aussi petit que 4,5 kN à 13,3 kN (1.000 livres à 3.000 livres), jusqu'à approximativement 22,2 kN (5.000 livres)) sans subir une agglutination du trépan à partir d'une DOC excessive et du volume de copeaux en conséquence, qui anéantit l'aptitude hydraulique du trépan pour les dégager.

   Dans des formations plus dures, avec par exemple 138 kPa à 276 kPa (20.000 psi à 40.000 psi) de résistance à la compression, l'aire de surface totale des particularités de DOCC peut être considérablement réduite tout en supportant encore un WOB important appliqué pour garder le trépan fermement sur le fond du trou de sonde. Lorsque des tours de forage assez anciennes, moins sophistiquées, sont utilisées ou pendant du forage directionnel, ces deux cas rendant difficile la commande du WOB avec une quelconque précision importante, l'aptitude à surcharger le WOB sans conséquences contraires distingue davantage le rendement supérieur de trépans qui mettent en oeuvre la présente invention.

   II devrait être noté à ce moment que l'utilisation d'une résistance à la compression non confinée de la roche de formation procure une marge importante pour le calcul de l'aire porteuse nécessaire des particularités de DOCC pour un trépan puisque la résistance à la compression confinée, in situ, d'une formation souterraine en cours de forage est sensiblement supérieure.

   Ainsi, si cela est souhaité, des valeurs de résistance à la compression confinée de formations sélectionnées peuvent être utilisées pour concevoir toutes les particularités de DOCC ainsi que l'aire porteuse totale d'un trépan, pour donner une aire requise plus petite mais qui procure encore judicieusement une "marge" adéquate d'aire porteuse en excès en reconnaissance de variations dans des résistances à la compression continuées de la formation, pour empêcher une entaille et un endommagement importants du trou de sonde de la formation.

   Bien que le trépan 100 soit notablement semblable au trépan 10, le spectateur reconnaîtra et appréciera que les éléments insérés d'usure 32 sont supprimés des segments porteurs sur le trépan 100, un agencement de ce genre étant approprié pour des formations moins abrasives dans lesquelles l'usure est de moindre importance, et le carbure de tungstène de la matrice du trépan (ou le rechargement dur appliqué dans le cas d'un trépan à corps d'acier) est suffisant pour résister à de l'usure par abrasion pour une durée de vie souhaitée du trépan.

   Comme montré à la figure 13A, les particularités de DOCC (segments porteurs 30) de soit le trépan 10 soit le trépan 100, ou de n'importe quel trépan suivant l'invention peuvent être de section transversale arquée, prise transversalement à l'arc suivi lorsque le trépan tourne, pour procurer une surface porteuse 31a arquée qui imite l'arc du bord de coupe d'un couteau en PDC associé, non usé, qui suit une particularité de DOCC. En variante, comme cela est montré à la figure 13B, une particularité de DOCC (segment porteur 30) peut présenter une surface porteuse plate 31f vers la formation ou peut être configurée autrement.

   II est également considéré, comme montré à la figure 13C, qu'une particularité de DOCC (segment porteur 30) peut être configurée en section transversale et être composée d'une matière de façon à s'user intentionnellement et relativement rapidement (en comparaison du taux d'usure d'un couteau en PDC) à partir d'une surface porteuse 31 i de départ, assez petite, procurant une DOd relativement petite par rapport au point ou ligne de contact C avec la formation parcourue par le bord de coupe d'un couteau en PDC en arrière associé, pendant un forage d'un premier intervalle de formation dure, jusqu'à une surface porteuse secondaire 31s plus grande qui procure également une DOC2beaucoup plus petite pour un second intervalle de formation inférieure, beaucoup plus tendre (et à résistance à la compression inférieure).

   En variante, la tête 33 de la structure de DOCC (segment porteur 30) peut être rendue apte à être cisaillée de manière commandée à partir de la base 35 (comme avec des connections cassables comme une goupille de cisaillement, une goupille de cisaillement 37 étant montrée en lignes interrompues).
A des fins de référence, les trépans 10 et 100 tels que représentés peuvent être dits êtes symétriques ou coaxiaux autour de leurs lignes centrales ou axes longitudinaux L, bien que ceci ne soit pas nécessairement une exigence de l'invention.
Les trépans tant 10 que 100 sont non usuels en comparaison de trépans de l'état antérieur de la technique, du fait que les couteaux en PDC 14 des trépans 10 et 100 sont disposés selon des inclinaisons vers l'arrière de loin inférieures,

   dans la plage de par exemple 7[deg.] à 15[deg.] par rapport à la direction visée de rotation, perpendiculaire dans l'ensemble à la surface de la formation en cours de prise. En comparaison, beaucoup de trépans usuels sont équipés de couteaux selon une inclinaison vers l'arrière de 30[deg.], et une inclinaison vers l'arrière de 20[deg.] est considérée comme étant quelque peu "agressive" dans le métier. La présence de la particularité de DOCC permet l'utilisation d'inclinaisons vers l'arrière sensiblement plus agressives, puisque les particularités de DOCC empêchent les couteaux en PDC inclinés de manière agressive de pénétrer dans la formation jusqu'à une profondeur trop grande, comme cela serait le cas dans un trépan sans les particularités DOCC.

   Dans les cas tant du trépan 10 que du trépan 100, les particularités de
DOCC (segments porteurs 30) qui précèdent en rotation sont configurées et placées pour s'adapter sensiblement exactement à la forme forée dans le fond du trou de sonde lors d'un forage à un ROP de 30,5 mètres par heure (mph) (100 pieds par heure (fph)) à 120 tours par minute (rpm) du trépan. Ceci donne lieu à une DOC d'approximativement 4,2 mm (0,166 pouce) par tour. En raison de la présence des particularités de DOCC (segments porteurs 30), après qu'un WOB suffisant a été appliqué pour forer 30,5 mph (100 fph), n'importe quel WOB supplémentaire est transféré du corps 40 du trépan 10 ou 100, par l'intermédiaire des particularités de DOCC, à la formation.

   Ainsi, les couteaux 14 ne sont pas soumis à une quelconque force supplémentaire importante à moins que et jusqu'à ce qu'un WOB suffisant pour endommager la formation en cours de forage soit appliqué, cette application pouvant être sensiblement commandée par le foreur puisque les particularités de DOCC peuvent être adaptées selon le besoin pour procurer une ample marge d'erreur par rapport à toute séquence donnée de formations qui pourraient être rencontrées lors d'un forage d'un intervalle.
Comme autre conséquence de la présente invention, les particularités de DOCC, comme noté ci-dessus, empêcheraient des couteaux 14 de pénétrer ou "creuser" de manière excessive la formation, un avantage important lors d'un forage avec un moteur en fond de trou où il est souvent difficile de commander le WOB,

   et le WOB qui induit une pénétration excessive de ce genre peut donner lieu à un blocage du moteur avec une perte en conséquence de la face d'outil et un endommagement possible des composants du moteur aussi bien que du trépan lui-même. Bien que l'addition de WOB au-delà de ce qui est nécessaire pour obtenir le ROP souhaité nécessitera un couple supplémentaire pour faire tourner le trépan en raison de la résistance de frottement à la rotation des particularités de DOCC sur la formation, un couple supplémentaire de ce genre est une composante moindre du couple total.
L'avantage des particularités de DOCC pour commander le couple peut être aisément apprécié par un examen de la figure 3 des dessins qui est un modèle mathématique d'un rendement d'un trépan en PDC de 0,95 m (3 % de pouce) de diamètre, à quatre lames, R324XL de Hughes Christensen,

   qui montre des courbes de différents couples par rapport au WOB pour différentes inclinaisons vers l'arrière de couteaux lors d'un forage de schiste Mancos. La courbe A représente le trépan avec une inclinaison vers l'arrière des couteaux à 10[deg.], la courbe B le trépan avec une inclinaison vers l'arrière de 20[deg.] des couteaux, la courbe C le trépan avec une inclinaison vers l'arrière de 30[deg.] des couteaux, et la courbe D le trépan utilisant des couteaux disposés selon une inclinaison vers l'arrière de 20[deg.] et comprenant les particularités de DOCC suivant la présente invention. Le modèle prend en compte une conception de trépan suivant l'invention pour un ROP de 15,2 mph (50 fph) à 100 rpm, ce qui procure 2,5 mm (0,1 pouce) par tour de pénétration d'une formation en cours de forage.

   Comme on peut aisément le voir, sans tenir compte de l'inclinaison vers l'arrière des couteaux, les courbes A à C indiquent clairement que, en l'absence des particularités de DOCC suivant la présente invention, le couple requis sur le trépan continue à augmenter de manière continue et sensiblement linéairement avec le WOB appliqué, sans tenir compte de combien de WOB est appliqué. D'un autre côté, la courbe D indique que, après que le WOB a approché approximativement 35,6 kN (8.000 livres) sur le trépan comportant les particularités de DOCC, la courbe de couple s'aplatit considérablement et augmente seulement légèrement, de manière sensiblement linéaire, à partir d'approximativement 908 N * m (670 pieds  livres) jusque juste au-dessus de 1.085 N  m (800 pieds * livres) même lorsque le WOB avoisine 111 kN (125.000 livres).

   Comme noté ci-dessus, la relativement petite augmentation du couple après que les particularités de DOCC soient entrées en prise avec la formation est liée à du frottement et est également quelque peu prévisible. Comme représenté graphiquement à la figure 3, cette sollicitation de couple supplémentaire augmente sensiblement de manière linéaire en fonction du WOB fois le coefficient de frottement entre le trépan et la formation.
En se reportant à présent à la figure 4 (qui n'est pas à l'échelle) des dessins, une autre appréciation du fonctionnement et des avantages des particularités de DOCC suivant la présente invention peuvent être obtenus. En supposant un trépan conçu pour un ROP de 36,6 mph (120 fph) à 120 rpm, ceci nécessite une DOC moyenne de 5,08 mm (0,20 pouce).

   Les particularités de DOCC ou les limiteurs de DOC devraient donc être conçus pour entrer en contact d'abord avec la surface de formation souterraine FS pour procurer une DOC de 5,08 mm (0,20 pouce). II est supposé, pour les fins de la figure 4, que les particularités de DOCC ou limiteurs de DOC sont dimensionnés de façon à ce qu'une résistance à la compression de la formation en cours de forage ne soit pas dépassée sous le WOB appliqué. Comme noté précédemment, la résistance à la compression en rapport devrait être typiquement la résistance à la compression in situ de la roche de formation qui réside dans la formation en cours de forage (plus un certain facteur de sécurité) plutôt que la résistance à la compression non confinée d'un échantillon de roche.

   A la figure 4, un couteau en PDC 14 à titre d'exemple est montré, pour la commodité, se déplaçant de manière linéaire de droite à gauche sur la page. Un tour complet du trépan 10 ou 100 sur lequel est monté le couteau 14 en PDC a été "déroulé" et disposé à plat à la figure 4. Ainsi, comme montré, le couteau en PDC 14 a progressé vers le bas (c'est-à-dire le long de l'axe longitudinal du trépan 10 ou 100 sur lequel il est monté) de 5,08 mm (0,20 pouce) en 360[deg.] de rotation du trépan 10 ou 100.

   Comme montré à la figure 4, une structure ou élément à utiliser comme limiteur de DOC 50 est situé de manière conventionnelle, à proximité "derrière" en rotation le couteau en PDC 14, de seulement 22,5[deg.] derrière le couteau en PDC 14; le bout le plus externe 50a doit être enfoncé vers le haut de 0,318 mm (0,0125 pouce) (5,08 mm (0,20 pouce) de DOC x 22,5[deg.] / 360[deg.]) à partir du bout le plus externe 14a du couteau en PDC 14 pour obtenir une DOC de départ de 5,08 mm (0,20 pouce). Cependant, lorsque le limiteur de DOC 50 s'use pendant le forage, par exemple de rien que 0,25 mm (0,010 pouce) par rapport au bout 14a du couteau en PDC 14, la distance décalée verticale entre le bout 50a du limiteur de DOC 50 et le bout 14a du couteau en PDC 14 est accrue de 0,572 mm (0,0225 pouce).

   Ainsi, la DOC sera sensiblement accrue, en fait pratiquement doublée, jusqu'à 9,1 mm (0,36 pouce). Un ROP possible serait égal en conséquence à 65,8 mph (216 fph) en raison de l'augmentation en distance verticale prévue au couteau en PDC 14 par le limiteur de DOC 50 usé, mais l'accroissement de DOC peut endommager le couteau en PDC 14 ou agglutiner le trépan 10 ou 100 en produisant un volume de copeaux de formation qui écrase l'aptitude du trépan de les dégager de manière hydraulique. De même, si le bout 14a du couteau en PDC s'usait à un taux relativement plus rapide que le limiteur de DOC 50, de par exemple 0,25 mm (0,010 pouce), la distance de décalage vertical est réduite à 0,064 mm (0,0025 pouce), la DOC est réduite à 1 ,02 mm (0,04 pouce) et le ROP à 7,3 mph (24 fph).

   Ainsi, une usure excessive ou un mauvais positionnement vertical de soit le couteau en PDC 14 soit le limiteur de DOC 50 l'un par rapport à l'autre peut donner lieu à une ample gamme de ROP possibles pour une vitesse de rotation donnée. D'un autre côté, si une particularité de DOCC 60 à titre d'exemple est placée, suivant la présente invention, à 45[deg.] en rotation devant (ou 315[deg.] en rotation derrière) le bout 14a du couteau en PDC, le bout le plus externe 60a devrait au départ être enfoncé vers le haut de 4,45 mm (0,175 pouce) (5,08 mm (0,20 pouce) de DOC x 315[deg.] / 360[deg.]) par rapport au bout 14a du couteau en PDC pour procurer la DOC de départ de 5,08 mm (0,20 pouce).

   La figure 4 montre deux fois la même particularité de DOCC 60, en rotation tant devant que derrière le couteau en PDC 14, pour la clarté, étant compris bien sûr que le trajet du couteau en PDC est circulaire sur un arc de 360[deg.] suivant la rotation du trépan 10 ou 100. Lorsque la particularité de DOCC 60 s'use de 0,25 mm (0,010 pouce) par rapport au bout 14a du couteau en PDC, la distance de décalage vertical entre le bout 60a de la particularité de DOCC 60 et le bout 14a du couteau en PDC 14 n'est augmentée que de 4,45 mm (0,175 pouce) à 4,70 mm (0,185 pouce). Cependant, en raison du positionnement de la particularité de DOCC 60 par rapport au couteau en PDC 14, la DOC ne sera que légèrement augmentée jusqu'à approximativement 5,36 mm (0,211 pouce). En conséquence, le ROP ne serait accru que d'approximativement 38,7 mph (127 fph).

   D'une même manière, si le couteau en PDC 14 s'use de 0,25 mm (0,010 pouce) par rapport à la particularité de DOCC 60, le décalage vertical de la particularité de DOCC 60 n'est réduit que jusqu'à 4,19 mm (0,165 pouce) et la DOC n'est réduite que jusqu'à approximativement 4,80 mm (0,189 pouce), avec un ROP concomitant d'approximativement 34,4 mph (1 13 fph). Ainsi, il peut être aisément vu comment un positionnement en rotation d'une particularité de DOCC peut affecter considérablement le ROP lorsque le limiteur et le couteau s'usent l'un par rapport à l'autre ou si un composant de ce genre a été mal positionné ou incorrectement dimensionné pour faire incorrectement saillie même légèrement vers le haut ou vers le bas par rapport à sa position idéale ou "de conception" par rapport à l'autre composant associé, lorsque le trépan est fabriqué.

   De même, les déséquilibres d'usure entre un couteau et un limiteur de DOC qui suit un couteau sont amplifiés dans l'état antérieur de la technique tout en étant considérablement réduits lorsque des particularités de DOCC dimensionnées et placées dans des positions précédant le couteau, suivant la présente invention, sont utilisées. De plus, si un limiteur de DOC qui suit plutôt que de précéder un couteau donné est utilisé, il sera apprécié qu'une sollicitation par choc ou impact du couteau est plus probable lorsque, au moment où le limiteur de DOC entre en contact avec la formation, le bout du couteau sera déjà entré en contact avec la formation.

   D'un autre côté, des particularités de DOCC qui précèdent, en étant situées devant un couteau donné le long du trajet hélicoïdal vers le bas que le couteau parcourt lorsqu'il coupe la formation et que le trépan avance le long de son axe longitudinal, tendent à entrer en prise avec la formation avant le couteau. Les termes "précéder" et "suivre" le couteau peuvent être aisément compris comme étant préférablement associés respectivement à des positions de particularités de DOCC qui précèdent un couteau jusqu'à 180[deg.] en rotation par rapport à des positions jusqu'à 180[deg.] en rotation qui suivent un couteau.

   Bien qu'une certaine partie de par exemple une particularité de DOCC allongée, arquée et qui précède, suivant la présente invention, peut s'étendre, en avant en rotation, tellement loin d'un couteau associé au point de s'approcher d'une position qui suit, l'importante majorité de la longueur arquée d'une telle particularité de DOCC se trouverait de préférence dans une position qui précède. Comme cela peut être apprécié par davantage de référence aux figures 1 et 2, il peut y avoir un écart important en rotation entre un couteau en PDC 14 et un segment porteur 30 associé d'une particularité de DOCC, comme à travers un canal à fluide 20 et son encoche à débris 26 associée, tout en précédant encore en rotation le couteau en PDC 14.

   De manière mieux préférée, au moins une certaine partie d'une particularité de DOCC suivant l'invention se situe dans approximativement les 90[deg.] qui précèdent en rotation la face d'un couteau associé. On pourrait poser la question de savoir pourquoi une limitation du ROP serait souhaitable puisque des trépans, suivant la présente invention, qui utilisent des particularités de DOCC, peuvent ne pas forer en fait à un ROP aussi grand que celui de trépans usuels non équipés de cette façon.

   Cependant, comme noté ci-dessus, en utilisant des particularités de DOCC pour obtenir une DOC prévisible et sensiblement soutenable, conjointement à une aptitude connue des particularités hydrauliques d'un trépan pour dégager du trépan des copeaux de formation à un taux volumétrique maximal donné, un ROP maximal soutenable (plutôt qu'uniquement une crête) peut être obtenu sans agglutination du trépan et avec une usure réduite des couteaux et une élimination sensible d'un endommagement et d'une casse de couteaux à la suite d'une DOC excessive, aussi bien que d'un endommagement et d'une casse induite par impact. Un blocage de moteur et une perte de face d'outil peuvent également être éliminés.

   Dans des formations tendres et très tendres, très sensibles à de l'agglutination, limiter le volume unitaire de roche retirée de la formation par unité de temps empêche un trépan de "couper excessivement" la formation. Dans des formations plus dures, l'aptitude à appliquer un WOB supplémentaire, en excès de ce qui est nécessaire pour obtenir une DOC de conception pour le trépan, peut être utilisée pour supprimer une vibration non voulue, induite normalement par les couteaux en PDC et leur action de coupe, aussi bien qu'une vibration non voulue du train de tiges de forage sous la forme d'un rebond, rendue manifeste sur le trépan par une DOC excessive.

   Dans des formations plus dures de ce genre, les particularités de DOCC peuvent également être caractérisées comme étant des "moyens d'arrêt de sollicitation" utilisés conjointement à un WOB "en excès" pour protéger les couteaux en PDC d'un endommagement induit par vibrations, les particularités de DOCC étant à nouveau dimensionnées de manière à ce que la résistance à la compression de la formation ne soit pas dépassée. Dans des formations plus dures, l'aptitude à amortir des vibrations et un rebond en conservant le trépan en contact constant avec la formation est fortement avantageuse en termes de stabilité et de longévité du trépan alors que, dans des applications dirigeables, l'invention empêche une perte de la face d'outil.

   La figure 5 représente une variation à titre d'exemple d'une particularité de DOCC suivant la présente invention, qui peut être appelée une particularité de DOCC 130 "échelonnée" comprenant un segment porteur allongé et arqué. Une configuration de ce genre montrée, à des fins d'illustration, précédant un couteau en PDC 14 sur un trépan 100 (à titre d'exemple seulement), comprend un premier gradin 132 inférieur et précédant en rotation et un second gradin 134 supérieur et suivant en rotation.

   Lorsque le bout 14a du couteau en PDC 14 suit son trajet hélicoïdal vers le bas, indiqué dans l'ensemble par une ligne 140 (le trajet étant déroulé sur la page comme avec la figure 4), l'aire de surface du premier gradin 132 peut être utilisée pour limiter une DOC dans une formation plus dure avec une résistance à la compression supérieure, le trépan "circulant" haut sur la formation et le couteau 14 prenant dans la surface de formation une DOCi minimale montrée par la ligne interrompue inférieure.

   Cependant, lorsque le trépan 100 entre dans une formation beaucoup plus tendre, avec une résistance à la compression de loin inférieure, l'aire de surface du premier gradin 132 sera insuffisante pour empêcher une entaille et un endommagement de la formation et ainsi le premier gradin 132 entaillera la formation jusqu'à ce que la surface du second gradin 134 rencontre la matière de formation, en augmentant la DOC par le couteau 14.

   A ce point, l'aire de surface totale des premier et second gradins 132 et 134 (en combinaison avec d'autres premiers et seconds gradins associés respectivement à d'autres couteaux 14) sera suffisante pour empêcher davantage d'entaillage de la formation et la DOC2plus profonde dans la surface de formation plus tendre (montrée par la ligne interrompue supérieure) sera conservée jusqu'à ce que le trépan 100 rencontre à nouveau une formation plus dure.

   Lorsque ceci a lieu, le trépan 100 circulera sur le premier gradin 132 qui prendra tout impact en provenance de la rencontre avant que le couteau 14 ne rencontre la formation, et la DOC sera réduite jusqu'à son niveau précédent, en évitant un couple excessif et un blocage du moteur.
Comme montré aux figures 1 et 2, une ou plusieurs particularités de
DOCC d'un trépan suivant l'invention peuvent comprendre des segments porteurs 30 allongés et arqués, disposés sur sensiblement le même rayon autour de l'axe longitudinal ou ligne centrale du trépan qu'un couteau précédé par cette particularité de DOCC.

   Dans un cas de ce genre, et comme représenté à la figure 6A avec un segment porteur 30 arqué, à titre d'exemple, déroulé pour se trouver à plat sur la page, il est préféré que la surface porteuse externe S d'un segment 30 soit en pente selon un angle [alpha], par rapport à un plan P transversal à la ligne centrale L du trépan, qui est sensiblement le même que l'angle [beta] du trajet hélicoïdal 140 parcouru par le couteau en PDC 14 associé, lorsque le trépan fore le trou de sonde. En orientant ainsi la surface porteuse externe S, toute la surface possible ou zone porteuse du segment porteur 30 entre en contact et reste en contact avec la formation lorsque le couteau en PDC 14 tourne.

   Comme montré à la figure 6B, la surface externe S d'un segment arqué peut également être en pente selon un angle variable pour accommoder un ROP de conception maximal et minimal pour un trépan. Ainsi, si un trépan est conçu pour forer entre 33,5 et 39,6 mph (110 et 130 fph), la partie antérieure en rotation LS de la surface S peut être selon un angle y relativement peu prononcé alors que la partie postérieure en rotation TS de la surface S (le tout de la surface S précédant encore en rotation le couteau en PDC 14) peut être selon un autre angle [delta] relativement plus pentu (les deux angles étant montrés avec une ampleur exagérée pour la clarté), le reste de la surface S faisant progressivement une transition selon un angle là entre.

   De cette manière et puisque la DOC doit nécessairement augmenter pour que le ROP augmente, étant donnée une vitesse de rotation sensiblement constante, selon un premier angle 140a d'hélice peu prononcé correspondant à un ROP plus faible, la partie antérieure LS de la surface S sera en contact avec la formation en cours de forage alors qu'à un ROP supérieur, l'angle d'hélice sera pentu comme montré (exagéré pour la clarté) par l'angle d'hélice 140b, et la partie antérieure LS ne sera plus en contact avec la formation, la zone de contact étant passée en transition à une partie postérieure TS inclinée de manière plus pentue.

   Bien sûr, à un ROP intermédiaire entre les limites supérieures et inférieures de la gamme de conception, une partie de la surface S intermédiaire entre la partie antérieure LS et la partie postérieure TS (ou des parties des deux LS et TS) agirait en tant que surface porteuse. Une configuration comme montrée à la figure 6B est aisément appropriée pour des formations à résistance à la compression élevée, à des ROP variables dans une gamme de conception, puisque des exigences d'aire de surface porteuse pour les particularités de DOCC sont nominales.

   Pour des trépans utilisés dans du forage de formations plus tendres, il peut être nécessaire de prévoir une aire de surface en excès pour chaque particularité de DOCC afin d'empêcher un endommagement et un entaillage de la formation, comme seulement une partie de chaque particularité de DOCC sera en contact avec la formation à n'importe quel moment lors d'un forage au-delà d'une gamme de conception des ROP.

   A l'inverse, pour des trépans utilisés dans du forage de formation plus dures, prévoir une aire de surface en excès pour chaque particularité de DOCC afin d'éviter un endommagement et un entaillage de la formation peut ne pas être nécessaire comme les parties respectives de chaque particularité de DOCC peuvent, lorsqu'elles sont prises en combinaison, procurer suffisamment d'aire totale de surface porteuse, ou de dimension totale pour que le trépan circule sur la formation au-delà d'une gamme de conception des ROP.
Une autre considération dans la conception de trépans suivant la présente invention est l'abrasion de la formation en cours de forage et des taux d'usure relative des particularités de DOCC et des couteaux en PDC.

   Dans des formations non abrasives, ceci n'est pas d'importance considérable puisque ni la particularité de DOCC ni le couteau en PDC ne s'useront de manière appréciable. Cependant, dans des formations plus abrasives, il peut être nécessaire de prévoir des éléments insérés d'usure 32 (voir la figure 1) ou de protéger autrement les particularités de DOCC contre une usure excessive (c'est-à-dire prématurée) en relation à celle des couteaux auxquels elles sont associées, pour empêcher une réduction de DOC. Par exemple, si le trépan est un trépan du type à matrice, une couche de particules de diamant peut être incorporée dans les surfaces externes des particularités de DOCC. En variante, des pépites préformées de carbure de tungstène cémenté, coulées dans la face du trépan, peuvent être utilisées en tant que particularités de DOCC.

   Un film de diamant peut être façonné sur des parties sélectionnées de la face de trépan en utilisant des techniques connues de dépôt en phase gazeuse par procédé chimique, comme cela est connu dans le métier, ou des films de diamant formés sur des substrats qui sont ensuite coulés dans ou brases, ou fixés autrement, sur le corps du trépan.

   Des diamants naturels, des PDC thermiquement stables (usuellement désignés par TSP = Thermally Stable Products) ou même des PDC avec leurs faces sensiblement parallèles à l'angle d'hélice du trajet du couteau (de façon à ce que ce qui serait normalement la face de coupe du PDC agisse comme une surface porteuse) ou des structures de nitrure de bore cubique semblables aux structures de diamant mentionnées ci-dessus peuvent également être utilisés sur ou en tant que des surfaces porteuses des particularités de DOCC, si souhaité ou nécessaire, par exemple lors d'un forage dans des calcaires et dolomies.

   Afin de réduire des forces de frottement entre une surface porteuse de DOCC et la formation, une rugosité très faible, ce que l'on appelle une surface diamantée "polie" peut être utilisée suivant les brevets US-A-5 447 208 et US-A-5 653 300, cédés à la cessionnaire de la présente invention et incorporés de cette façon ici par cette référence. Idéalement, et en prenant en compte une usure de la table de diamant et du substrat porteur en comparaison à l'usure des particularités de DOCC, les caractéristiques et volumes d'usure des matières qui prennent l'usure pour les particularités de DOCC peuvent être réglés de façon à ce que le taux d'usure des particularités de DOCC puissent être sensiblement assorties au taux d'usure des couteaux en PDC pour conserver une DOC sensiblement constante.

   Cette approche donne lieu à la possibilité d'utiliser le couteau en PDC jusqu'à sa durée de vie maximale possible. II est compris bien sûr que les particularités de DOCC peuvent être configurées sous la forme de "nodules", "bosses" ou grandes "mésas" raccourcis aussi bien que des segments arqués mentionnés ci-dessus ou peuvent être de n'importe quelle autre configuration appropriée pour la formation à forer, afin d'empêcher un endommagement de celle-ci par les particularités de DOCC sous le WOB attendu ou planifié.
Comme variante à une particularité de DOCC fixe ou passive, il est aussi considéré que des particularités de DOCC ou segments porteurs actifs peuvent être utilisés à différentes fins.

   Par exemple, des galets peuvent être disposés devant les couteaux pour procurer une particularité de DOCC à frottement réduit, ou un support à fluide comportant une ouverture entourée par un patin ou mésa sur la face du trépan peut être utilisé pour procurer une distance pour les couteaux avec un faible frottement qui accompagne. Des particularité de DOCC mobiles, par exemple des structures pivotantes, pourraient également être utilisées pour accommoder des variations de ROP dans une gamme donnée en inclinant les surfaces porteuses des particularités de DOCC de façon à ce que les surfaces soient orientées selon le même angle que celui du trajet hélicoïdal des couteaux associés.

   En se reportant à présent aux figures 7 à 12 des dessins, différentes particularités de DOCC (qui peuvent également être désignées comme étant des segments porteurs) suivant l'invention sont décrites.
En se reportant aux figures 7 et 7A, un trépan 150 à titre d'exemple, comportant un couteau en PDC 14 qui y est fixé derrière, en rotation, un canal à fluide 20 comprend une particularité de DOCC 160 pivotante composée d'un corps 162 à surface arquée (qui peut comprendre une demi-sphère pour une rotation autour de plusieurs axes ou purement une surface arquée s'étendant transversalement au plan de la page en vue d'une rotation autour d'un axe transversal à la page) fixé dans un logement 164 et présentant une particularité 166 en variante, résistant à l'usure, sur sa surface porteuse 168.

   La particularité 166 résistant à l'usure peut être purement une partie à nu de la matière du corps 162 si ce dernier est formé par exemple en WC (Wolfram Carbide = carbure de tungstène). En variante, une particularité 166 résistant à l'usure peut comprendre un bout en WC, un élément inséré ou un plaquage sur la surface porteuse 168 du corps 162, des particules de diamant incorporées dans le corps 162 à l'endroit de la surface porteuse 168 ou un traitement de surface au diamant synthétique ou naturel de la surface porteuse 168, y compris en particulier et sans limitation un film de diamant qui y est déposé ou qui y est fixé.

   II devrait être noté que l'aire de la surface porteuse 168 de la particularité de DOCC 160 qui circulera sur la formation en cours de forage, aussi bien que la DOC pour le couteau en PDC 14, peut être aisément réglée pour une conception de trépan donnée en utilisant des corps162 qui présentent différentes expositions (hauteurs) de la surface porteuse 168 et différentes largeurs, longueurs ou configurations en coupe transversale, toutes telles que montrées en lignes interrompues. Ainsi, différentes résistances à la compression de formations peuvent être accommodées. L'utilisation d'une particularité de DOCC 160 pivotante permet que la particularité de DOCC se règle automatiquement à différents ROP dans une gamme donnée d'angles d'hélice de couteaux.

   Bien que la DOC puisse être affectée par un pivotement de la particularité de DOCC 160, une variation dans une gamme donnée de ROP sera usuellement nominale.
Les figures 8 et 8A représentent un trépan 150 à titre d'exemple, comportant un couteau en PDC 14 qui y est fixé en arrière, en rotation, d'un canal à fluide 20, le trépan 150 comportant dans ce cas une particularité de DOCC 170 qui comprend un galet 172 supporté en rotation par un arbre 174 sur des paliers 176 portés par le trépan 150, de chaque côté d'une cavité 178 dans laquelle le galet 172 est partiellement logé.

   Dans cette forme de réalisation, il devrait être noté que l'exposition et l'aire de surface porteuse de la particularité de DOCC 170 peuvent être aisément réglées pour une conception donnée de trépan en utilisant des galets 172 de différents diamètres, présentant différentes largeurs et/ou configurations de section transversale.
Les figures 9A, 9B, 9C et 9D représentent respectivement des particularités de DOCC pivotantes 190, 200, 210 et 220 en variante. La particularité de DOCC 190 comprend une tête 192 partiellement logée dans une cavité 194, dans un trépan 15(1 et montée par l'intermédiaire d'un raccordement 196 à bille et logement sur une colonnette 180 ajustée par pressage dans une ouverture 198 au sommet de la cavité 194.

   Des particularité de DOCC 200, dans lesquelles des éléments semblables à ceux de la particularité de DOCC 190 sont identifiés par les mêmes numéros de référence, sont une variante de la particularité de DOCC 190. La particularité de DOCC 210 utilise une tête 212 qui est partiellement logée dans une cavité 214, dans un trépan 150, et qui y est fixée par un élément de raccordement 216 élastique ou malléable qui s'étend dans une ouverture 218 au sommet de la cavité 214. L'élément de raccordement 216 peut comprendre par exemple un bloc en élastomère, un ressort bobiné, un ressort Belleville, un ressort à lame ou un bloc de métal malléable comme de l'acier ou du bronze.

   Ainsi, l'élément de raccordement 216, comme avec les raccordements 196 à bille et logement et les têtes 192, permet que la tête 212 s'ajuste automatiquement à, ou compense, des ROP variables déterminant différents angles d'hélice de couteau. La particularité de DOCC 220 utilise un bras 222 agencé en rotation et partiellement logé dans une cavité 224, le bras 222 étant supporté sur une saillie 226 du trépan 150. Des butées 228 en matières élastiques ou malléables (comme des élastomères, de l'acier, du plomb, etc. ...) et qui peuvent être permanentes ou remplaçâmes permettent que le bras 222 s'adapte à différents angles d'hélice. Le bras 222 peut être fixé dans la cavité 224 par n'importe quel moyen usuel.

   Puisque des angles d'hélice varient, même pour un ROP spécifique donné, comme la distance de chaque couteau par rapport à la ligne centrale du trépan, permettre un réglage ou compensation automatique de ce genre peut être préférable à essayer de façonner des particularité de DOCC avec des surfaces porteuses selon différents angles en différents endroits sur la face du trépan.
Les figures 10A et 10B représentent respectivement différentes particularités de DOCC et combinaisons de couteaux en PDC. Dans chaque cas, un couteau en PDC 14 est fixé à un support de couteau et limiteur de DOC 240 combinés, le support 240 étant logé dans une cavité 242, dans la face (ou sur une lame) d'un trépan 150 à titre d'exemple, et y étant fixé par exemple par brasure, soudure, fixation mécanique ou autrement comme cela est connu dans le métier.

   Le limiteur de DOC 240 comprend une saillie 244 qui présente une surface porteuse 246. Comme montré et à titre d'exemple seulement, la surface porteuse 246 peut être sensiblement plate (figure 10A) ou hémisphérique (figure 10B). En sélectionnant des support de couteau et limiteur de DOC 240 appropriés, la DOC du couteau en PDC 14 peut être modifiée et l'aire de surface de la surface porteuse 246 être réglée pour s'adapter à une résistance à la compression de formations visées.
II devrait être noté que les particularité de DOCC des figures 7 à 10, en plus de s'accommoder à des résistances à la compression de différentes formations ainsi que d'optimiser la DOC et de permettre une minimisation de l'aire de surface porteuse provoquant un frottement, tout en évitant un endommagement de formation sous le WOB,

   facilitent également une réparation sur le terrain et un remplacement de particularités de DOCC en raison d'un endommagement en cours de forage ou pour s'accommoder à différentes formations à forer dans des formation ou intervalles adjacents à pénétrer par le même trou de sonde.
La figure 11 représente une particularité de DOCC 250 comportant une cavité ou canal annulaire 252 dans la face d'un trépan 150 à titre d'exemple. Des couteaux en PDC 14 radialement voisins, qui flanquent le canal annulaire 252, coupent la formation 254, mais pour ne pas couper un segment annulaire 256 qui fait saillie dans la cavité annulaire 252.

   Au sommet 260 du canal annulaire 252, un couteau en PDC 258 à bord plat (ou de préférence une pluralité de couteaux 258 écartés en rotation) tronque le segment annulaire 256 d'une manière commandée de façon à ce que la hauteur du segment annulaire 256 reste sensiblement constante et limite la DOC des couteaux en PDC 14 qui le flanquent. Dans ce cas, la surface porteuse de la particularité de DOCC 250 comprend le sommet 260 du canal annulaire 252, et les côtés 262 du canal 252 empêchent un effondrement du segment annulaire 256.

   Bien sûr, il est compris que de multiples canaux annulaires 252 et des couteaux en PDC 14 qui les flanquent peuvent être utilisés et qu'une source de fluide de forage, comme une ouverture 264, serait prévue pour lubrifier le canal 252 et chasser du couteau 258 des copeaux de formation.
Les figures 12 et 12A représentent une particularité de DOCC 270 à faible frottement, améliorée de manière hydraulique et comprenant un patin de DOCC 272 qui précède en rotation un couteau en PDC 14 de l'autre côté d'un canal à fluide 20 sur un trépan 150 à titre d'exemple, le patin 272 étant équipé d'un passage 274 de fluide de forage conduisant jusqu'à la surface porteuse 276 du patin 272 à partir d'un espace 278 à l'intérieur du corps de trépan 150.

   Comme cela est montré à la figure 12A, une pluralité de canaux 282 peuvent être façonnés sur la surface porteuse 276 pour faciliter une distribution du fluide de forage, à partir de la bouche 280 du passage 274, à travers la surface porteuse 276. En déviant une petite partie de l'écoulement de fluide de forage vers le trépan 150 par rapport à son trajet normal conduisant à des ajutages associés aux couteaux, il est estimé que le frottement accru, qui accompagne normalement des accroissements de WOB après que la surface porteuse 276 du patin de DOCC 272 soit entré en contact avec la formation, peut être au moins quelque peu atténué, et dans certains cas sensiblement évité, en réduisant ou éliminant des accroissements de couple sensibles à des accroissements de WOB.

   Bien sûr, les passages 274 peuvent être dimensionnés pour fournir un écoulement approprié, ou les patins 272 être dimensionnés avec des bouches 280 dimensionnées de manière appropriée. Les patins 272 peuvent bien sût être configurés pour être remplaçables.
Comme cela a été mentionné ci-dessus, des inclinaisons vers l'arrière des couteaux en PDC utilisés dans un trépan équipé de particularités de DOCC suivant l'invention peuvent être plus agressifs, c'est-à-dire moins négatifs, qu'avec des trépans usuels.

   II est également considéré que des inclinaisons de couteaux extrêmement agressives, comprenant des inclinaisons neutres et même des inclinaisons positives (vers l'avant) des couteaux peuvent être utilisées avec succès en compatibilité avec la tension inhérente des couteaux de résister à la sollicitation sur ceux-ci en conséquence d'inclinaisons de ce genre, puisque les particularité de DOCC empêcheront des couteaux agressifs de ce genre d'entrer en prise avec la formation à une profondeur trop grande.
II est également considéré que deux différentes hauteurs ou expositions de segments porteurs peuvent être utilisées sur un trépan, un jeu de segments porteurs plus élevés procurant une première aire de surface porteuse supportant le trépan sur des formations plus dures à résistance à la compression supérieure,

   en fournissant une DOC relativement peu prononcée pour les couteaux en PDC du trépan alors qu'un jeu de segments porteurs plus bas restent en dehors d'un contact avec la formation pendant un forage jusqu'à ce qu'une formation plus tendre, à résistance à la compression inférieure, soit rencontrée. A cette jonction, les segments porteurs plus élevés ou plus exposés auront une aire de surface insuffisante pour empêcher un entaillage (endommagement) de la roche de formation sous le WOB appliqué.

   Donc, les segments porteurs plus élevés entailleront la formation jusqu'à ce que le second jeu de segments porteurs vienne en contact avec celle-ci, et par cela l'aire de surface combinée des deux jeux de segments porteurs supportera le trépan sur la formation plus tendre, mais à une DOC supérieure pour permettre aux couteaux de retirer un volume supérieur de matière de formation par tour du trépan et de produire ainsi un ROP supérieur pour une vitesse de rotation du trépan donnée. Cette approche diffère de l'approche représentée à la figure 5 en ce que, à la différence de particularités de DOCC échelonnées (segment porteur 130), les segments porteurs de différentes hauteurs ou expositions sont associés à différents couteaux.

   Ainsi, cet aspect de l'invention peut être réalisé par exemple dans les trépans 10 et 100 des figures 1 et 2, en fabriquant des segments porteurs arqués sélectionné, à une hauteur ou exposition supérieure à celle d'autres. Ainsi, les segments porteurs 30b et 30e des trépans 10 et 100 peuvent présenter une plus grande exposition que les segments 30a, 30c, 30d et 30f ou vice et versa.
Des couteaux utilisés avec les trépans 10 et 100, ainsi qu'avec d'autres trépans décrits et qui seront expliqués subséquemment ici, sont représentés comme ayant des couteaux en PDC 14 mais ils sera reconnu et apprécié par ceux qui sont d'expérimentation courante dans le métier,

   que l'invention peut également être mise en pratique sur des trépans portant d'autres types de couteaux très abrasifs comme par exemple des comprimés de diamant polycristallin thermiquement stable ou TSP, par exemple agencés en une configuration de mosaïque comme cela est connu dans le métier pour simuler la face de coupe d'un PDC. Des couteaux à film de diamant peuvent également être utilisés, aussi bien que des comprimés de nitrure de bore cubique.
Une autre forme de réalisation de la présente invention, telle que donnée à titre d'exemple par le trépan tournant 300 et 300 est représentée dans les figures 14A à 20.

   Des trépans tournants tels que les trépans 300 et 300 suivant la présente invention peuvent comprendre plusieurs particularités et éléments qui correspondent à ceux identifiés en ce qui concerne les trépans 10 et 100 précédemment décrits et représentés.
Un trépan tournant 300 représentatif, montré aux figures 14A et 14B, comprend un corps de trépan 301 qui présente une extrémité antérieure 302 et une extrémité postérieure 304. Un raccordement 306 peut comprendre un raccordement à broche d'extrémité comportant des filets coniques pour un raccordement du trépan 300 à un montage en fond de trou d'un train de tiges de forage tournant usuel, ou en variante pour un raccordement à un montage de moteur en fond de trou comme par exemple un moteur en fond de trou du type Moineau actionné par du fluide de forage, comme décrit précédemment.

   L'extrémité antérieure ou face de trépan 302 comprend un pluralité de structures de lame 308 qui s'étendent dans l'ensemble radialement vers l'extérieur et longitudinalement vers l'extrémité postérieure 304. Le trépan 300 à titre d'exemple comprend huit structures de lame ou lames 308 écartées sur la circonférence autour du trépan. Cependant, un moindre nombre de lames peut être prévu sur un trépan, comme cela est prévu sur le corps de trépan 301 du trépan 300 montré à la figure 14C et qui a six lames. Un nombre supérieur de structures de lame d'une variété de géométries peuvent être utilisées, comme cela est déterminé pour être optimal pour un trépan particulier.

   De plus, les lames 308 n'ont pas besoin d'être écartées de manière equidistance autour de la circonférence du trépan 300 comme cela est montré mais peuvent être écartées, autour de la circonférence ou périphérie d'un trépan, suivant une quelconque manière appropriée comprenant un agencement non équidistant ou un agencement dans lequel certaines des lames sont écartées de façon équidistante l'une de l'autre sur la circonférence et dans lequel certaines des lames sont écartées irrégulièrement ou de manière non équidistante l'une de l'autre.

   De plus, les lames 308 ne doivent pas être configurées de manière spécifique selon la manière telle que montrée aux figures 14A et 14B mais peuvent être configurées pour comprendre d'autres profils, dimensions et combinaisons que ceux montrés.
Dans l'ensemble, un trépan tel que le trépan 300 comprend une zone conique 310, une zone de nez 312, une zone de flanc 314, une zone d'epaulement 316 et une zone de calibre 322. Fréquemment, une distinction spécifique entre zone de flanc 314 et zone d'epaulement 316 peut ne pas être faite. Ainsi; le terme "épaulement" tel qu'utilisé dans le métier incorpore souvent la zone de "flanc" dans la zone d"'épaulement".

   Des orifices à fluide sont disposés autour de la face du trépan et sont en communication de fluide avec au moins un passage interne prévu à l'intérieur du corps de trépan 301 , d'une manière représentée à la figure 2A des dessins et pour des fins décrites précédemment ici. De préférence mais non nécessairement, les orifices à fluide 318 comprennent des ajutages 338 qui y sont disposés pour mieux commander l'expulsion du fluide de forage depuis le corps de trépan 301 dans les canaux à fluide 344 et les encoches à débris 340 afin de faciliter le refroidissement des couteaux sur le trépan 300 et de chasser des copeaux de formation, par le trou de sonde, vers la surface lorsque le trépan 300 est en fonctionnement.
Les lames 308 comprennent de préférence, en plus de la zone de calibre 322 des lames 308,

   une surface porteuse 320 qui fait face radialement vers l'extérieur, une surface antérieure 324, en rotation, et une surface postérieure 326, en rotation. C'est-à-dire que lorsque le trépan est mis en rotation dans une formation souterraine pour produire un trou de sonde, la surface antérieure 324 fait face dans le sens voulu de rotation du trépan tandis que la surface postérieure 326 fait face à l'opposé ou vers l'arrière par rapport au sens voulu de rotation du trépan. Une pluralité d'éléments coupants ou couteaux 328 sont disposés de préférence le long et partiellement dans les lames 308.

   De manière particulière, les couteaux 328 sont positionnés de façon à présenter une face de coupe ou table très abrasive 330 qui fait face dans l'ensemble dans la même direction que la surface antérieure 324, aussi bien que pour être exposés d'une certaine valeur au-delà de la surface porteuse 320 de la lame respective dans laquelle chaque couteau est positionné. Les couteaux 328 sont de préférence des éléments coupants très abrasifs connus dans le métier, comme les couteaux en PDC à titre d'exemple décrits précédemment ici, et sont fixés physiquement dans des poches 342 par des techniques d'installation et de fixation connues dans le métier.

   La valeur préférée d'exposition des couteaux 328 suivant la présente invention sera décrite avec davantage de détails ci-dessous.
Des nodules d'usure, nuages d'usure ou zones accumulées résistant à l'usure 334, en variante et désignés ici collectivement comme étant des nodules d'usure 334 peuvent être disposés sur ou prévus autrement sur des surfaces porteuses 320 des lames 308, les nodules d'usure 334 étant positionnés de préférence de façon à suivre en rotation les couteaux 328 positionnés sur des lames respectives ou autres surfaces dans lesquelles les couteaux 328 sont disposés. Les nodules d'usure 334 peuvent être moulés d'origine dans le trépan 300 ou peuvent être ajoutés à des parties sélectionnées de la surface porteuse 320.

   Comme décrit précédemment ici, les surfaces porteuses 320 des lames 308 peuvent être équipées d'autres particularités ou caractéristiques résistant à l'usure, comme par exemple des diamants insérés, des TSP, des PDC, du rechargement dur, des soudures et des constructions soudées par exemple. Comme cela apparaîtra, des particularités résistant à l'usure de ce genre peuvent être utilisées pour accroître et augmenter davantage l'aspect de DOCC aussi bien que d'autres aspects avantageux de la présente invention. Les figures 15A à 15C mettent en évidence la valeur suivant laquelle les couteaux 328 sont exposés par rapport à la surface qui entoure immédiatement les couteaux 328 et en particulier les couteaux 328C situés dans la zone radialement la plus interne de l'extrémité antérieure d'un trépan, à proximité de la ligne centrale longitudinale du trépan.

   La figure 15A procure une représentation schématique d'un groupe représentatif de couteaux prévus sur un trépan, lorsque le trépan entre en prise en rotation avec une formation, le profil de couteaux étant pris en coupe transversale et projeté dans un unique plan vertical représentatif (c'est-à-dire la feuille de dessin). Les couteaux 328 sont positionnés radialement, ou latéralement, dans l'ensemble le long de la face de l'extrémité antérieure d'un trépan, par exemple le trépan représentatif 300, de façon à procurer entre des couteaux un écartement radial ou latéral, sélectionné de centre à centre, désigné comme étant un écartement Rsde couteaux de centre à centre.

   Ainsi, si un trépan est équipé d'une structure de lame, par exemple la lame 308, le profil de couteaux de la figure 15A représente les couteaux positionnés sur une unique lame 308 représentative. Comme représenté de manière exagérée à la figure 15A, les couteaux 328C situés dans une zone conique 310 sont disposés de préférence dans la lame 308 de façon à présenter une exposition de couteau Hcd'une valeur sélectionnée, perpendiculaire dans l'ensemble à la surface porteuse 320, faisant face vers l'extérieur, de la lame 308. Comme on peut le voir à la figure 15A, l'exposition de couteau Hcest d'une valeur de préférence relativement petite de distance d'écartement ou d'exposition dans la zone de cône 310 du trépan 300.

   De préférence, l'exposition de couteau Hcdiffère dans l'ensemble pour chacun des couteaux ou groupes de couteaux positionnés de manière radialement plus distante de la ligne centrale L. Par exemple, l'exposition de couteau Hcest plus grande dans l'ensemble pour des couteaux 328 dans la zone de nez 312 qu'elle n'est pour des couteaux 328 situés dans la zone conique 310, et l'exposition de couteau Hcest de préférence à un maximum dans les zones de flanc / épaulement 314 / 316. L'exposition de couteau Hcdiminue de préférence légèrement radialement en direction de la zone de calibre 322, et des couteaux 328, radialement les plus externes, positionnés longitudinalement à proximité de la surface de patin de calibre 354 de la zone de calibre 322 peuvent comprendre des faces de coupe de diamètres plus petits de section transversale comme représenté.

   La ligne de calibre 352 (voir les figures 16 et 17) détermine le diamètre externe maximum du trépan 300.
Le profil de section transversale de nodules d'usure, nuages d'usure, rechargement dur ou soudures de surface 334, en variante, ont été omis à la figure 15A pour la clarté. Cependant, la figure 15C représente le profil de coupe transversale de rotation, tel que superposé sur un unique plan vertical représentatif, de nodules d'usure, nuages d'usure, rechargement dur, soudures de surface ou autres structures de nodules d'usure 334 représentatifs en variante. La figure 15C représente de plus une hauteur Hwkde nodule d'usure en coupe transversale, à titre d'exemple, mesurée dans l'ensemble perpendiculairement à la surface porteuse 320 faisant face vers l'extérieur.

   II peut y avoir ou ne pas y avoir une différence dimensionnelle radiale dans l'ensemble, ou dégagement, [Delta]HC.wkentre la hauteur de nodule d'usure Hwk, qui correspond dans l'ensemble à la surface radialement la plus externe d'un nodule ou structure d'usure donné, et l'exposition Hcd'un couteau respectif, qui correspond dans l'ensemble à la partie radialement la plus externe du couteau associé en rotation, pour procurer de plus une particularité de DOCC suivant la présente invention. De manière conceptuelle, ces différences en expositions peuvent être considérées comme analogues à la distance du couteau 14 et du limiteur de DOC 50 qui suit en rotation, telle que mesurée à partir de la ligne de référence en traits mixtes représentée à la figure 4 et telle que décrite précédemment.

   De plus, au lieu de se référer à la distance à laquelle la surface radialement la plus externe d'une structure de nodule d'usure donnée est positionnée radialement vers l'extérieur à partir d'une surface porteuse ou structure de lame dans laquelle une structure de nodule d'usure particulière est disposée, il peut être utile de se référer en variante à une distance présélectionnée dans laquelle la surface radialement la plus externe d'une structure de nodule d'usure donnée est insérée radialement / longitudinalement, ou dégagée de la partie la plus externe de la partie exposée d'un couteau très abrasif associé en rotation, comme indiqué par [Delta]HC.wkà la figure 15C.

   Ainsi, en plus de commander la DOC avec au moins certains couteaux et peut-être chaque couteau, en sélectionnant une hauteur d'exposition Hcappropriée d'un couteau, comme déterminé et représenté ici, la présente invention comprend en variante le fait d'équiper des trépans avec des nodules d'usure ou d'autres structures semblables de limitation de profondeur de couteaux pour compléter ou augmenter la commande des DOC de couteaux respectivement associés en rotation, des nodules d'usure de ce genre prévus en variante étant disposés sur le trépan de façon à avoir une surface de nodule d'usure qui est positionnée ou dégagée d'une distance [Delta]HC.wkprésélectionnée, mesurée à partir de la partie exposée la plus externe du couteau,

   à laquelle un nodule d'usure est associé en rotation à la surface de nodule d'usure.
Le profil des couteaux superposés en coupe transversale d'un trépan représentatif, tel que le trépan 300 de la figure 15B, représente le profil combiné de tous les couteaux installés sur chacune d'une pluralité de lames 308, de façon à avoir un écartement de couteaux Rsradial sélectionné de centre à centre. Ainsi, le profil de couteaux représenté à la figure 15B est le résultat de tous les couteaux prévus sur une pluralité de lames et tournés autour de la ligne centrale du trépan pour être superposés sur une unique lame 308 représentative.

   Dans certaines formes de réalisation, il y aura vraisemblablement plusieurs redondances de couteaux en des emplacements radiaux identiques, entre différents couteaux positionnés sur des lames respectives, espacées sur la circonférence et, pour la clarté, des profils de ce genre qui sont parfaitement ou absolument redondants ne sont typiquement pas représentés. Comme on peut le voir à la figure 15B, il y aura un recouvrement latéral ou radial entre des trajets de couteaux respectifs lorsque les couteaux prévus de diverses manières progressent en rotation tangentiellement dans l'ensemble à l'axe longitudinal L lorsque le trépan 300 tourne, de manière à donner lieu à ce qu'une action de coupe uniforme soit obtenue lorsque le trépan entre en prise par rotation avec une formation sous un WOB sélectionné.

   De plus, il peut être vu à la figure 15B que l'écartement latéral ou radial entre des profils de couteaux distincts ne doit pas être de la même distance uniforme en ce qui concerne la position radiale ou latérale de chaque couteau. Cet écartement non uniforme en ce qui concerne le positionnement radial ou latéral de chaque couteau est plus clairement représenté aux figures 16 et 17. Les figures 16 et 17 sont des vues agrandies, isolées et en coupe transversale, partielles de profils de couteaux dans lesquelles tous les couteaux situés sur un trépan sont superposés comme s'ils étaient sur une unique partie en coupe transversale d'un corps de trépan 301 , ou les couteaux 328 d'un trépan comme le trépan 300.

   Les profils de couteaux des figures 16 et 17 sont représentés comme étant à la droite de la ligne centrale longitudinale L d'un trépan représentatif, comme le trépan 300, au lieu d'être à la gauche comme représenté dans les figures 15A à 15C. Comme décrit, l'extrémité antérieure du trépan 300 comprend la zone de cône 310 qui comporte des couteaux 328C, la zone de nez 312 qui comporte des couteaux 328N, la zone de flanc 314 qui comporte des couteaux 328F, la zone d'epaulement 316 qui comporte des couteaux 328S et la zone de calibre 322 qui comporte des couteaux 328G, les couteaux de chaque zone pouvant être désignés de manière collective comme étant les couteaux 328. La figure 16 représente un profil de couteaux présentant un degré ou valeur élevé de recouvrement 356 de couteaux.

   C'est-à-dire que les couteaux 328 tels que représentés à la figure 17 sont prévus en quantité suffisante et sont positionnés suffisamment près l'un de l'autre, latéralement ou radialement, de façon à procurer un haut degré de redondance de couteaux lorsque le trépan tourne et entre en prise avec la formation. A l'inverse, le profil de couteaux représentatif représenté à la figure 17 montre un degré ou valeur relativement moindre de recouvrement 356 de couteaux. C'est-à-dire que le nombre total de couteaux 328 est moindre en quantité et qu'ils sont davantage écartés en ce qui concerne la distance radiale ou latérale entre des profils de couteaux individuels adjacents en rotation.

   Des zones d'encoche 348 montrées en traits interrompus aux figures 16 et 17 laissent voir une hauteur relativement petite pour des zones d'encoche 348 de la figure 16, des zones d'encoche de la figure 17 étant considérablement plus hautes. Pour aider à l'illustration de différences respectives dans la hauteur KHde zone d'encoche distincte, qui, en tant que cas pratique, est directement liée à la hauteur d'exposition de couteau Hc, aussi bien que des largeurs Kwde zone d'encoche individuelles qui sont directement influencées par la dimension du recouvrement radial de couteaux positionnés respectivement sur des lames différentes, un réseau de référence, à l'échelle, d'une pluralité de lignes écartées parallèles est fourni dans les figures 16 et 17 pour mettre en évidence la hauteur d'exposition des couteaux et les largeurs des zones d'encoche.

   L'écartement entre les lignes de réseau aux figures 16 et 17 est à l'échelle pour représenter approximativement 3,18 mm (0,125 pouce). Cependant, un réseau à l'échelle de 3,18 mm (0,125 ou 1/8 de pouce) de ce genre est purement un exemple puisque des hauteurs d'exposition de couteaux, des hauteurs de zones d'encoche et des largeurs de zones d'encoche plus grandes en dimension aussi bien que plus petites en dimension peuvent être utilisées suivant la présente invention. Le profil de couteaux superposé des couteaux 328 est représenté avec chacun des couteaux représentés 328 qui est écarté de manière equidistance dans l'ensemble le long de la face du trépan, à partir de la ligne centrale L vers la zone de calibre 322; cependant, cela ne doit pas être le cas.

   Par exemple, les couteaux 328C peuvent avoir un profil de couteaux présentant plus de recouvrement de couteaux 356 donnant lieu à des petites largeurs d'encoches dans la zone de cône 310 par comparaison à un profil de couteaux des couteaux 328N, 328F et 328S situés respectivement dans la zone de nez 312, la zone de flanc 314 et la zone d'epaulement 316, de tels couteaux positionnés radialement plus vers l'extérieur devraient avoir moins de recouvrement qui y donne lieu à des largeurs d'encoches plus grandes, ou vice versa.

   Donc, en incorporant sélectivement la valeur du recouvrement de couteaux 356 à prévoir dans chaque zone d'un trépan, la profondeur de coupe des couteaux, en combinaison avec une sélection du degré ou valeur de la hauteur d'exposition de couteau de chaque couteau situé dans chaque zone particulière peut être utilisée pour commander de manière spécifique et précise la profondeur de coupe de chaque zone ainsi que pour concevoir dans le trépan la valeur de surface porteuse disponible entourant les couteaux et par laquelle le trépan peut circuler sur la formation.

   Etabli de façon différente, au plus large est la largeur d'encoche Kwentre les profils collectifs superposés de couteaux individuels de tous les couteaux sur toutes les lames ou, en variante, de tous les couteaux écartés radialement et sur la circonférence autour d'un trépan, tels que les couteaux 328 prévus sur un trépan tel que montré à la figure 17, une plus grande proportion du WOB total appliqué sera dispersée sur la formation, en permettant au trépan de "circuler" sur la formation que ce ne serait le cas s'il était prévu une plus grande quantité de couteaux présentant une plus petite largeur d'encoche Kwentre eux, comme montré à la figure 16.
En conséquence, le profil de couteaux représenté à la figure.

   17 donnerait lieu à ce qu'une partie considérable du WOB appliqué sur le trépan 300 soit dispersée entre les encoches larges, en permettant par cela que le trépan 300 soit supporté par la formation lorsque les couteaux 328 entrent en prise avec la formation. Cette particularité de sélectionner tant le nombre total d'encoches que les largeurs des largeurs d'encoches Kwindividuelles permet une commande précise des profondeurs de coupe individuelles des couteaux adjacents aux encoches aussi bien que la profondeur de coupe collective totale du trépan 300 dans une formation d'une dureté donnée. Pour un, ou une valeur de, WOB suffisamment grand appliqué sur le trépan lors d'un forage dans une formation relativement dure donnée, les zones d'encoches 348 arriveraient à circuler sur la formation, en limitant ou arrêtant par cela la DOC des couteaux 328.

   Si encore davantage de WOB devait être appliqué, la DOC n'augmenterait pas puisque les zones d'encoche 348, aussi bien que des parties de la surface, faisant face vers l'extérieur, de la lame entourant chaque couteau 328 prévu avec une valeur réduite d'exposition suivant la présente invention procureraient en combinaison une valeur totale de surface porteuse pour supporter le trépan dans une formation dure relative, malgré qu'une valeur excessive de WOB soit appliquée au trépan en considérant le ROP courant.
En contraste, dans un trépan équipé d'un profil de couteaux présentant des espaces de couteau à couteau petits en dimension par une incorporation d'une quantité relativement grande de couteaux 328 avec une petite zone d'encoche Kwentre des couteaux qui se recouvrent mutuellement radialement ou latéralement, comme représenté à la figure 16,

   chaque couteau individuel entrerait en prise avec la formation avec une moindre valeur de DOC par couteau à un WOB donné. Comme chaque couteau entrerait en prise avec la formation selon une DOC moindre en comparaison du profil de couteaux de la figure 17, toutes les autres variables étant tenues constantes, les couteaux du profil de couteaux de la figure 16 tendraient à être mieux appropriés pour entrer en prise avec une formation relative dure lorsqu'une grande DOC n'est pas nécessaire, et n'est pas préférée en fait, pour entrer en prise avec, et couper, efficacement une formation dure.

   Lorsqu'une valeur nécessaire ou excessive de WOB est appliquée en plus sur un trépan qui a le profil de couteaux de la figure 16, en considérant que le ROP courant est fourni par le trépan, les zones d'encoches 348 arriveraient à circuler sur la formation, aussi bien que d'autres parties de la surface de lame faisant face vers l'extérieur entourent chaque couteau 328 qui présente une valeur réduite d'exposition suivant la présente invention pour limiter la DOC de chaque couteau en procurant une valeur totale de surface porteuse pour disperser le WOB sur la formation en cours de forage.

   Dans l'ensemble, de plus grandes encoches favoriseront une stabilité dynamique par dessus une efficacité de coupe de formation alors que des encoches plus petites favoriseront une efficacité de coupe de formation par dessus une stabilité dynamique.
De plus, la valeur d'exposition de couteau que chaque couteau est destiné à avoir influencera la vitesse et la facilité avec laquelle les surfaces porteuses enteront en contact avec et circuleront sur la formation pour disperser axialement le WOB appliqué au trépan.

   C'est-à-dire qu'une relativement petite valeur d'exposition de couteau permettra à la surface porteuse environnante d'entrer en contact avec la formation pour un WOB plus faible alors qu'une valeur relativement plus grande d'exposition de couteau retardera le contact entre la surface porteuse environnante et la formation jusqu'à ce qu'un WOB supérieur soit appliqué au trépan.

   Ainsi, des expositions de couteaux individuelles, aussi bien que les largeurs d'encoches et hauteurs d'encoches moyennes peuvent être manipulées pour commander la DOC de non seulement chaque couteau mais la DOC collective par tour de tout le trépan lorsqu'il entre en prise par rotation avec une formation d'une dureté et pression de confinement données à un WOB donné.
En conséquence, la figure 16 représente un profil de couteaux à titre d'exemple, particulièrement approprié pour, mais non limité à, une "formation dure", alors que la figure 17 représente un profil de couteaux à titre d'exemple, particulièrement approprié pour, mais non limité à, une "formation tendre".

   Bien que la quantité de couteaux prévus sur un trépan influencera considérablement la quantité d'encoches prévue entre des couteaux radialement adjacents, il devrait être gardé en mémoire que tout autant la dimension ou diamètre des surfaces de coupe des couteaux peut également être sélectionnée pour modifier le profil de couteaux afin d'être plus approprié pour une formation soit plus dure, soit plus tendre. Par exemple, des couteaux qui ont des tables très abrasives de plus grand diamètre peuvent être utilisés pour procurer un profil de couteaux comportant des hauteurs d'encoches plus grandes en dimension et des largeurs d'encoches plus grandes en dimension pour augmenter des caractéristiques de coupe de formations tendres.

   A l'inverse, un trépan peut être équipé de couteaux présentant des tables très abrasives de plus petit diamètre afin de procurer un profil de couteaux présentant des hauteurs d'encoches plus petites en dimension et des largeurs d'encoches plus petites en dimension pour augmenter des caractéristiques de coupe de formations dures d'un trépan suivant les enseignement ici.
De plus, le diamètre de calibre total qu'un trépan doit avoir influencera également le profil de couteaux total du trépan en ce qui concerne des hauteurs d'encoches et des largeurs d'encoches, comme il y aura une valeur totale supérieure de surface porteuse potentiellement disponible pour supporter des trépans de diamètres plus grands sur une formation à moins que le trépan soit équipé d'un nombre proportionnellement plus grand de couteaux à exposition réduite et, si souhaité,

   de couteaux usuels, de manière à réduire effectivement la valeur totale de l'aire de surface porteuse potentielle du trépan.
La figure 18A des dessins est une vue frontale schématique isolée de trois couteaux 328C représentatifs positionnés dans la zone de cône 310 d'une structure de lame 308 représentative.

   Chacun des couteaux représentatifs présente une valeur présélectionnée d'exposition de couteau de façon à limiter la DOC des couteaux tout en procurant également des zones d'encoches 348 individuelles entre les couteaux 328 (dans cette présentation particulière, la largeur d'encoche Kwreprésente la largeur d'encoche entre des couteaux qui sont situés sur la même lame et qui présentent un écartement radial Rssélectionné) et auxquels la surface porteuse de la lame à laquelle les couteaux sont fixés (surface 320C) procure une surface porteuse, comprenant des zones d'encoches 348 pour que le trépan circule ou frotte sur la formation, qui n'est pas couramment coupée par cette lame 308 particulière, le WOB de conception étant dépassé pour un ROP donné dans une formation 350 d'une certaine dureté ou résistance à la compression.

   Comme on peut le voir à la figure 18A, cette vue particulière montre une surface de lame 324 antérieure en rotation, qui avance vers le spectateur et montre des faces de coupe ou tables 330 très abrasives des couteaux 328C entrant en prise avec et produisant un copeau ou éclat 350 de formation lorsque les couteaux entrent en prise avec la formation selon une DOC donnée. La figure 18B procure une vue latérale isolée d'un couteau représentatif à exposition réduite, comme par exemple le couteau 328C situé dans une zone de cône 310. Le couteau 328C est montré comme étant fixé dans une lame 308 selon un angle d'inclinaison vers l'arrière [theta]rprésélectionné et présente une hauteur de couteau Hcexposée sélectionnée.

   Comme on peut le voir à la figure 18B, le couteau 328C est équipé d'une zone chanfreinée 321 en variante, s'étendant de manière périphérique et présentant une largeur de chanfrein Cwprésélectionnée. La flèche représente la direction voulue de rotation du trépan lorsque le trépan dans lequel le couteau est installé est mis en fonctionnement. Un interstice désigné par d peut être vu, en rotation, en arrière du couteau 328C. La hauteur d'exposition de couteau Hcpermet qu'une valeur suffisante du couteau 328C soit exposée pour permettre que le couteau 328C entre en prise avec la formation 350 selon une DOC1 particulière qui se trouve bien dans la DOC maximale à laquelle le couteau 328C est capable d'entrer en prise avec la formation 150 pour produire un copeau de formation 350 à cette DOC1 particulière.

   Ainsi, suivant la présente invention, le WOB présentement appliqué au trépan dans lequel le couteau 328C est installé est une valeur moindre que le WOB de conception pour le ROP du moment et la résistance à la compression de la formation 350.
En contraste à la figure 18B, la figure 18C procure essentiellement la même vue latérale du couteau 328C, le WOB de conception pour le trépan étant dépassé pour le ROP du moment et la résistance à la compression de la formation 350. Comme on peut le voir à la figure 18C, un couteau 328C à exposition réduite est à présent en cours de prise avec la formation 350 à une DOC2 qui se trouve être la DOC maximale à laquelle ce couteau 328C particulier serait autorisé de couper.

   II en est ainsi parce que la formation 350 circule à présent sur la surface porteuse 320C qui fait face vers l'extérieur et qui entoure dans l'ensemble la partie exposée du couteau 328C. C'est-à-dire qu'un intervalle G2est essentiellement nul en ce sens que la surface 320C et la formation 350 sont en contact l'une avec l'autre et que la surface 320C glisse sur la formation 350 lorsque le trépan, auquel le couteau 328C représentatif à exposition réduite est fixé, tourne dans le sens de la flèche de référence. Ainsi, en particulier en l'absence de nodules d'usure 334 en variante, la DOC2 est essentiellement limitée par la valeur de la hauteur d'exposition de couteau Hcpour le WOB présentement appliqué, en considérant la résistance à la compression de la formation qui est en prise pour le ROP du moment.

   Même si la valeur de WOB appliqué au trépan sur lequel le couteau 328C est installé est accrue davantage, la DOC2 ne croîtra pas puisque la surface porteuse 320C, en plus des autres surfaces porteuses de face 320 sur le trépan qui comporte le couteau 328 à exposition réduite, empêchera la DOC2 de s'accroître au-delà de la valeur maximale montrée. Ainsi, la ou les surfaces porteuses 320C qui entourent au moins la partie exposée du couteau 328, prise collectivement avec d'autres surfaces porteuses, empêchera la DOC2 de croître en dimension jusqu'à une valeur qui pourrait provoquer qu'un TOB non souhaité, potentiellement endommageant pour le trépan, soit produit en raison dé ce que le couteau 328 entrerait exagérément en prise avec la formation 350.

   C'est-à-dire qu'un copeau de formation 350 à dimension maximale, associé à un couteau à exposition réduite entrant en prise avec la formation selon une DOC2 maximale respective, pris en combinaison avec d'autres couteaux à exposition réduite qui entrent en prise avec la formation selon une DOC2 maximale respective, ne produira pas, lorsque pris en combinaison, une valeur totale excessive de TOB qui bloque le trépan lorsque le WOB de conception pour le trépan est atteint ou dépassé pour la résistance à la compression particulière de la formation en cours de prise au ROP courant.

   Ainsi, les aspects de DOCC de cette forme de réalisation particulière sont obtenus en assurant de préférence qu'il y a une aire suffisante entourant chaque couteau 328 à exposition réduite, comme par exemple le couteau 328C représentatif à exposition réduite, de sorte que non seulement la DOC2 pour ce couteau particulier n'est pas dépassée, sans tenir compte du WOB qui est appliqué, mais de préférence la DOC d'un nombre suffisant d'autres couteaux prévus le long de la face d'un trépan comportant la présente invention est limitée à une valeur qui empêche qu'un TOB non souhaité, potentiellement endommageant, soit produit.

   En conséquence, il n'est pas nécessaire que chaque et tous les couteaux prévus sur un trépan présentent une hauteur de couteau à exposition réduite de façon à limiter effectivement la DOC de chaque et tous les couteaux, mais il est préféré qu'au moins une quantité suffisante de couteaux de la quantité totale des couteaux prévus sur un trépan soient équipés d'au moins l'une des particularités de DOCC décrites ici pour empêcher un trépan et les couteaux qui y sont d'être soumis à un TOB potentiellement endommageant en considération du ROP pour la formation particulière en cours de forage.

   Par exemple, limiter la valeur d'exposition de couteau de chaque couteau positionné dans la zone de cône d'un trépan peut être suffisant pour éviter une valeur non souhaitée de TOB si le WOB dépassait le WOB de conception lors d'un forage à travers une formation d'une dureté particulière à un ROP particulier.
Les figures 19 à 22 sont des représentations graphiques de résultats de tests de laboratoire de quatre trépans différents du genre à lames, comportant des couteaux en PDC sur leurs lames. Les trépans "RE - S" et "RE - W" ont chacun des expositions de couteaux sélectivement réduites suivant la présente invention, telles que décrites précédemment et représentées dans les figures 14A à 18C.

   Cependant, le trépan "RE - S" est équipé d'un profil de couteaux présentant de petites encoches et le "RE - W" est équipé d'un profil de couteaux présentant de larges encoches. Les trépans qui ont des couteaux à exposition réduite sont graphiquement mis en contraste avec les résultats de tests de laboratoire d'un trépan "STR" de l'état antérieur de la technique, qui peut être guidé et qui présente des couteaux d'approximativement 12,7 mm (0,50 pouce) de diamètre, chaque couteau comprenant une table très abrasive qui a un chanfrein de bord périphérique présentant une largeur d'approximativement 1 ,27 mm (0,050 pouce) et incliné vers l'axe longitudinal du couteau d'approximativement 45[deg.].

   Un trépan "STD" usuel ou standard, d'usage général, équipé de couteaux d'un diamètre d'approximativement 12,7 mm (0,50 pouce) et inclinés vers l'arrière d'approximativement 20[deg.] et présentant des chanfreins qui ont approximativement 0,41 mm (0,016 pouce) de largeur et sont inclinés d'approximativement 45[deg.] par rapport à l'axe longitudinal du couteau. Tous les trépans ont un diamètre de calibre d'approximativement 0,311 m (12,25 pouce) et sont mis en rotation à 120 RPM pendant les tests.

   En ce qui concerne tous les trépans testés, les couteaux en PDC installés dans le cône, le nez, le flanc et l'épaulement des trépans ont des angles d'inclinaison vers l'arrière de couteaux d'approximativement 20[deg.] et les couteaux en PDC installés dans l'ensemble dans la zone de calibre ont un angle d'inclinaison vers l'arrière de couteaux d'approximativement 30[deg.].

   Les hauteurs d'exposition de couteaux des trépans RE - S et RE - W sont d'approximativement 3,05 mm (0,120 pouce) pour les couteaux positionnés dans la zone de cône, approximativement 3,81 mm (0,150 pouce) dans la zone de nez, approximativement 2,54 mm (0,100 pouce) dans la zone de flanc, approximativement 1,60 mm (0,063 pouce) dans la zone d'epaulement et les couteaux de la zone de calibre sont généralement rectifiés à fleur avec le calibre pour ces deux trépans qui mettent en oeuvre la présente invention. Les couteaux en PDC des trépans RE - S et RE - W ont approximativement 19,1 mm (0,75 pouce) en diamètre (à l'exception des couteaux en PDC situés dans la zone de calibre qui ont des diamètres plus petits et sont rectifiés à fleur avec le calibre) et sont équipés d'un chanfrein sur le bord périphérique de la table de coupe très abrasive du couteau.

   Les chanfreins présentent une largeur d'approximativement 0,48 mm (0,019 pouce) et sont inclinés d'approximativement 45[deg.] vers les axes longitudinaux des couteaux. La largeur d'encoche moyenne du trépan RE - S est d'approximativement 7,6 mm (0,30 pouce) et la largeur d'encoche moyenne du trépan RE - W est d'approximativement 5,08 mm (0,20 pouce).
La figure 19 représente des résultats de tests d'agressivité ([mu]) par rapport à la DOC (mm / tour) des quatre différents trépans.

   L'agressivité ([mu]) qui est définie comme étant égale au Couple / (Diamètre de Trépan x Poussée) peut être exprimée par : [mu] = 3 Couple N * m (pied - livre) / WOB (N)  Diamètre de Trépan (m)
Les valeurs de DOC représentées à la figure 19 représentent la DOC mesurée en millimètres de pénétration par tour que les trépans de tests ont réalisés dans la formation de tests de calcaire de Carthage. La pression de confinement de la formation dans laquelle les trépans sont testés est à la pression atmosphérique ou, en d'autres mots, est de 0 Pag.
La zone "D" encerclée du graphique de la figure 19 est d'importance.

   Le tracé du trépan RE - S avant la zone D encerclée est très semblable en pente à celui du trépan STR de l'état antérieur, qui peut être guidé, mais lorsque la DOC atteint approximativement 3,05 mm (0,120 pouce), l'agressivité respective du trépan RE - S chute plutôt dramatiquement par comparaison au tracé du trépan STR à proximité et dans la zone D encerclée. Ceci est attribuable aux surfaces porteuses du trépan RE S qui reprennent et dispersent axialement le WOB élevé sur la formation qui se trouve axialement en dessous du trépan associé aux DOC plus grandes, par exemple les DOC qui dépassent approximativement 3,05 mm (0, 120 pouce) suivant la présente invention.
La figure 20 représente graphiquement les résultats de tests en ce qui concerne le WOB en Newtons par rapport au ROP, en mètres par heure, avec une rotation de trépan de 120 tours par minute.

   Dans le graphique de la figure 20, il est d'importance générale que tous les tracés tendent à avoir la même courbe plate lorsque le WOB et le ROP augmentent, en indiquant qu'à des WOB plus faibles et des ROP plus faibles, les trépans RE - S et RE - W qui mettent en oeuvre la présente invention montrent dans l'ensemble le même comportement que les trépans STR et STD. Cependant, lorsque le WOB est accru, le trépan RE - S nécessite en particulier une valeur extrêmement élevée de WOB afin d'augmenter le ROP pour le trépan en raison des surfaces porteuses du trépan qui reprennent et dispersent la sollicitation axiale du trépan. Ceci est mis en évidence par le tracé du trépan à exposition de couteaux réduite, au voisinage de la zone "E" du graphique présentant une pente considérable vers le haut.

   Ainsi, afin de croître le ROP du trépan inventif en cause, a des valeurs de ROP qui dépassent approximativement 22,9 m/heure (75 pieds / heure), un accroissement très important du WOB est nécessaire pour des valeurs de WOB au-dessus d'approximativement 89,0 kN (20.000 livres) lorsque la charge sur le trépan en cause est dispersée avec succès sur la formation située axialement sous le trépan. Le fait qu'un WOB d'approximativement 178 kN (40.000 livres) est appliqué sans que le trépan RE - S bloque procure une très forte évidence de l'efficacité d'incorporer des couteaux à exposition réduite pour moduler et commander le TOB suivant l'invention, comme cela apparaîtra même mieux dans la figure 22 à encore décrire.

   La figure 21 est une représentation graphique des résultats de tests dans des termes de TOB, dans les unités de N m, par rapport au ROP, dans les unités de mètres par heure. Comme on peut le voir dans le graphique de la figure 21 , les différents tracés des trépans testés suivent dans l'ensemble la même pente modérée et linéaire à travers l'étendue respective de chaque tracé. Même dans la zone "F" du graphique, là où le ROP est au-dessus de 24,4 m / heure (80 pieds / heure), la courbe de TOB du trépan qui a des couteaux à exposition réduite ne montre que légèrement plus de TOB en comparaison au trépan standard de l'état antérieur, qui peut être guidé et d'usage général, malgré que le WOB correspondant fortement élevé soit appliqué sur le trépan inventif en cause, comme cela est montré à la figure 20.

   La figure 22 est une représentation graphique des résultats de tests en termes de TOB, dans les unités de N  m, par rapport au WOB, dans les unités de N. II est d'importance particulière par rapport aux données graphiques présentées à la figure 22 que le trépan STD procure un degré élevé d'agressivité aux frais de produire une valeur relativement élevée de TOB à des WOB plus faibles. Ainsi, si un trépan standard, qui ne peut pas être guidé dans l'ensemble, "passait" brusquement à travers une formation relativement dure dans une formation relativement tendre ou si le WOB augmentait brusquement pour une quelconque raison, le TOB élevé qui s'en suit, produit par la nature fortement agressive d'un tel trépan usuel, bloquerait et/ou endommagerait potentiellement le trépan.

   Le trépan représentatif, de l'état antérieur, qui peut être guidé a dans l'ensemble une pente TOB / WOB efficace à des WOB en dessous d'approximativement 89,0 kN (20.000 livres) mais, à des WOB qui dépassent approximativement 89,0 kN (20.000 livres), le TOB qui s'en suit est inacceptablement élevé et pourrait amener à un blocage et/ou endommagement non souhaité du trépan. Le trépan RE - W incorporant suivant la présente invention les couteaux à exposition réduite, incorpore également un profil de couteaux ayant de grandes largeurs d'encoches, de sorte que l'attaque des surfaces porteuses du trépan qui entre en contact avec la formation a lieu à des valeurs relativement faibles de WOB.

   Cependant, le trépan qui a une telle caractéristique de "toujours frotter la formation" par l'intermédiaire des surfaces porteuses, par exemple les surfaces 320, faisant face à la formation, des lames 308 telles que précédemment expliquées et représentées ici, qui viennent en contact avec et qui dispersent axialement sur la formation le WOB appliqué, à des WOB relativement bas, peut procurer des ROP acceptables dans des formations tendres mais un trépan de ce genre manquerait de valeur d'agressivité nécessaire pour procurer des ROP appropriés dans des formations plus dures et plus fermes et ainsi pourrait être considéré dans l'ensemble comme présentant une courbe inefficace de TOB par rapport à WOB.
Le trépan RE - S représentatif,

   qui incorpore des couteaux à exposition réduite de la présente invention et qui présente des largeurs d'encoches relativement petites, retarde effectivement les surfaces porteuses (par exemple comprenant mais non limitées à la surface 320 des lames 308 telles qu'expliquées précédemment et représentées ici) qui entourent les couteaux d'entrer en contact avec la formation jusqu'à ce que des WOB relativement plus élevés soient appliqués au trépan.

   Cette caractéristique particulièrement souhaitable est mise en évidence par le tracé pour le trépan RE - S, à des valeurs de WOB supérieures à approximativement 89,0 kN (20.000 livres) qui présente une pente relativement plate et linéaire lorsque le WOB est approximativement doublé jusqu'à 178 kN (40.000 livres) avec le TOB résultant qui ne s'accroît que d'approximativement 25 % à partir d'une valeur d'approximativement 4.400 N  m (3.250 pieds . livres) jusqu'à une valeur d'approximativement 6.100 N * m (4.500 pieds * livres).

   Ainsi, en considérant le tracé entier pour le trépan inventif en cause, sur la gamme représentée de WOB, le trépan RE - S est suffisamment agressif pour pénétrer efficacement des formations plus fermes à un ROP relativement élevé mais, si le WOB devait être accru, par exemple par une perte de commande du WOB appliqué ou lors d'un passage à travers une formation dure dans une formation plus tendre, les surfaces porteuses du trépan entrent en contact avec la formation, suivant la présente invention, pour limiter la DOC du trépan aussi bien que moduler le TOB résultant de façon à éviter un blocage du trépan.

   Parce qu'un blocage du trépan est évité, l'événement non souhaité de perdre un contrôle de la face d'outil ou pire, d'endommager l'outil est minimisé sinon entièrement évité dans beaucoup de situations.
II peut être apprécié à présent que la présente invention est particulièrement appropriée pour des applications qui impliquent du forage à grande distance ou horizontal dans lequel une commande de WOB devient très problématique en raison de la résistance, induite par frottement, sur le trépan, sur le moteur en fond de trou s'il est en cours d'utilisation, et sur au moins une partie du train de tiges de forage, en particulier la partie du train de tiges de forage dans la section de grande distance ou horizontale du trou de sonde en cours de forage.

   Dans le cas de trépans usuels, à usage général, à couteaux fixes, et même en utilisant des trépans de l'état antérieur conçus pour avoir une capacité de guidage accrue, qui présentent une grande efficacité, c'est-à-dire la capacité de procurer un ROP élevé à un WOB relativement faible, le trépan est spécialement enclin à de grandes amplitudes de fluctuations de WOB, qui peuvent varier de 44,5 kN à 89 kN (10 kilos livres à 20 kilos livres) (44.500 Newtons à 89.000 Newtons (10.000 livres à 20.000 livres)) ou plus lorsque le trépan fait une embardée vers l'avant après avoir surmonté une valeur particulièrement gênante de résistance de frottement.

   Les pointes de TOB qui accompagnent, résultant de l'accroissement brusque de WOB, peuvent être suffisantes dans beaucoup de cas pour bloquer un moteur en fond de trou ou endommager un trépan très efficace et/ou le train de tiges de forage fixé, lors d'une utilisation d'un train de tiges de forage usuel entraîné par une tour de forage usuelle moins sophistiquée. S'il est utilisé un trépan qui présente une faible efficacité, c'est-à-dire un trépan qui nécessite qu'un WOB relativement élevé soit appliqué pour donner un ROP approprié, le trépan peut ne pas être capable de procurer un ROP suffisamment rapide lors d'un forage de formations plus dures et plus fermes.

   En conséquence, lors de la mise en pratique de la présente invention pour procurer un trépan qui a une valeur limitée d'exposition de couteaux au-dessus de la surface porteuse environnante du trépan et en sélectionnant un profil de couteaux qui procurera une largeur d'encoche et une hauteur d'encoche appropriées, un trépan mettant en oeuvre la présente invention aura de manière optimale une efficacité suffisamment élevée pour forer des formations dures à des profondeurs de coupe faibles mais présentera un plafond de couple qui ne sera pas dépassé dans des formations tendres lorsque le WOB présentera un à-coup.
Bien que la présente invention a été décrite ici en ce qui concerne certaines formes de réalisation préférées,

   ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier reconnaîtront et apprécieront qu'elle n'est pas limitée ainsi et que beaucoup d'additions, suppressions et modifications des formes de réalisation préférées peuvent être faites sans sortir de la portée de l'invention revendiquée. De plus, des particularités d'une forme de réalisation peuvent être combinées à des particularités d'une autre forme de réalisation tout en étant encore comprises dans la portée de l'invention. En outre, l'invention a une utilité tant pour des trépans de forage complet que pour des trépans de carottage et présentant des profils de trépan ainsi que des types de couteaux, des configurations et des approches de montage différents et variés. 
Légende des figures Figure 3
Torque (N - m) = Coupe (N - m) Figure 19 Aggressiveness = agressivité
Aggressiveness vs.

   Depth of Cut (Carthage Limestone, Atmospheric) =
Agressivité par rapport à une profondeur de coupe (Calcaire de Carthage, Atmosphère)
Reduced Exposure Bit - "RE - W" = Trépan à exposition réduite - "RE - W"
Prior art Steerable Bit - "STR" = Trépan qui peut être guidé de l'état antérieur - "STR" Prior art Standard Bit - "STD" = Trépan standard de l'état antérieur -"STD" Reduced Exposure Bit - "RE - S" = Trépan à exposition réduite - "RE - S" DOC (mm / rev) = DOC (mm / tour) Figure 20 Weight On Bit vs.

   Pénétration Rate (Carthage Limestone, Atmospheric) = Poids sur outil par rapport à un taux de pénétration (Calcaire de Carthage, Atmosphère) Reduced Exposure Bit - "RE - W = Trépan à exposition réduite - "RE - W" Prior art Steerable Bit - "STR" = Trépan qui peut être guidé de l'état antérieur - "STR" Prior art Standard Bit - "STD" = Trépan standard de l'état antérieur -"STD" Reduced Exposure Bit - "RE - S" = Trépan à exposition réduite - "RE - S" ROP (m / hr @ 120 RPM) = ROP (m / heure @ 120 RPM) Figure 21
Torque On Bit vs.

   Pénétration Rate (Carthage Limestone, Atmospheric) = Couple sur trépan par rapport à un taux de pénétration (Calcaire de Carthage, Atmosphère) Reduced Exposure Bit - "RE - W" = Trépan à exposition réduite - "RE - W" Prior art Steerable Bit - "STR" = Trépan qui peut être guidé de l'état antérieur - "STR" Prior art Standard Bit - "STD" = Trépan standard de l'état antérieur -"STD" Reduced Exposure Bit - "RE - S" = Trépan à exposition réduite - "RE - S" ROP (m / hr @ 120 RPM) = ROP (m / heure @ 120 RPM) Figure 22 TOB (N - lb) = TOB (Newton - livre)
Torque vs.

   Weight On Bit (Carthage Limestone, Atmospheric) = Couple par rapport à un poids sur outil (Calcaire de Carthage, Atmosphère) Inefficient (Bearing - Dominated) = Inefficace (Porteur - Dominé) Efficient Range = Plage efficace Always Inefficient = Toujours inefficace Reduced Exposure Bit - "RE - W = Trépan à exposition réduite - "RE - W" Prior art Steerable Bit - "STR" = Trépan qui peut être guidé de l'état antérieur - "STR" Prior art Standard Bit - "STD" = Trépan standard de l'état antérieur -"STD" Reduced Exposure Bit - "RE - S" = Trépan à exposition réduite - "RE - S"

Claims (20)

REVENDICATIONS

1. Trépan pour du forage souterrain, comprenant :

- un corps de trépan comportant une ligne centrale longitudinale, une extrémité antérieure présentant une face pour entrer en contact avec une formation qui a une résistance à la compression maximale pendant le forage, et une extrémité postérieure comportant une structure qui y est associée pour un raccordement du corps de trépan à un train de tiges de forage, la face de l'extrémité antérieure étant configurée pour comporter une surface porteuse totale d'une dimension suffisante pour sensiblement supporter le corps de trépan lorsque le corps de trépan est forcé contre la formation à un poids sur l'outil maximal, donnant lieu sur la formation à une charge unitaire qui ne dépasse pas la résistance à la compression maximale de la formation, et

- au moins un couteau très abrasif pour entrer en prise avec la formation pendant le forage et fixé sur une partie sélectionnée de la face de l'extrémité antérieure du corps de trépan, ledit couteau très abrasif présentant une valeur limitée d'exposition de couteau perpendiculairement à la partie sélectionnée de la face de l'extrémité antérieure à laquelle ledit couteau très abrasif est fixé, pour limiter une profondeur de coupe maximale dudit couteau très abrasif dans la formation qui a la résistance à la compression maximale pendant le forage.

2. Trépan suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface porteuse totale du corps de trépan, en combinaison avec ledit couteau très abrasif, est configurée pour limiter la profondeur de coupe maximale dudit couteau très abrasif dans la formation.

3. Trépan suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit couteau très abrasif comprend une pluralité de couteaux très abrasifs et la face de l'extrémité antérieure comprend une pluralité de structures de lame qui font saillie du corps de trépan, au moins certaines de la pluralité de structures de lame portant au moins un de la pluralité de couteaux très abrasifs et les structures de lame présentant au total une aire de surface porteuse combinée de dimension suffisante pour conserver sur la formation la charge unitaire qui n'en dépasse pas la résistance à la compression maximale.

4. Trépan suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les quelques structures de lame de la pluralité portent chacune plusieurs de la pluralité des couteaux très abrasifs et présentent chacune au moins une surface porteuse associée et en ce que chacune de la pluralité des structures de lame enferme dans l'ensemble chacun des plusieurs couteaux très abrasifs de la pluralité qui sont portés par celles-ci, une partie limitée de chacun des plusieurs couteaux très abrasifs étant exposée d'une valeur présélectionnée perpendiculairement par rapport à ladite au moins une surface porteuse respective proche de chacun des plusieurs couteaux très abrasifs de façon à commander une profondeur de coupe respective pour chacun des plusieurs couteaux très abrasifs.

5. Trépan suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins un de la pluralité de couteaux très abrasifs est positionné dans une zone de cône de la face et présente une moindre valeur d'exposition de couteau qu'au moins un de la pluralité de couteaux très abrasifs positionnés, qui est positionné dans la zone de nez de la face.

6. Trépan suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins un de la pluralité de couteaux très abrasifs est positionné dans une zone de flanc de la face et présente une moindre valeur d'exposition de couteau que ledit couteau très abrasif positionné dans la zone de cône.

7. Trépan suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins un de la pluralité de couteaux très abrasifs est positionné dans une zone d'epaulement de la face et présente une moindre valeur d'exposition de couteau que ledit couteau très abrasif positionné dans la zone de flanc.

8. Trépan suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'exposition de couteau dudit couteau très abrasif de la zone de nez ne dépasse pas approximativement 4,06 mm, l'exposition de couteau dudit couteau très abrasif de la zone de cône ne dépasse pas approximativement 3,30 mm, l'exposition de couteau dudit couteau très abrasif de la zone de flanc ne dépasse pas approximativement 2,54 mm et l'exposition de couteau dudit couteau très abrasif de la zone d'epaulement ne dépasse pas approximativement 1 ,78 mm.

9. Trépan suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la pluralité de couteaux très abrasifs sont positionnés pour avoir un profil de recouvrement radial de couteau à couteau, qui permet que des parties exposées de la pluralité de couteaux très abrasifs supportent axialement, sensiblement et essentiellement de manière continue, le trépan dans des formations sous une variété de charges de poids sur l'outil et une variété de taux de pénétration.

10. Trépan suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la pluralité de couteaux très abrasifs sont positionnés pour présenter un profil de recouvrement radial de couteau à couteau comprenant une pluralité de zones d'encoches respectivement positionnées radialement entre des profils de couteaux individuels positionnés de manière contiguë, chacune de la pluralité des zones d'encoches présentant une largeur d'encoche allant d'approximativement 0,25 mm à approximativement 19,1 mm et une hauteur d'encoche allant d'approximativement 0,25 mm à approximativement 12,7 mm.

11. Procédé de forage d'une formation souterraine sans produire une valeur excessive de couple sur le trépan, comprenant :

- une entrée en prise de la formation par au moins un couteau d'un trépan dans une gamme de profondeurs de coupe sélectionnée, et - une limitation d'une profondeur de coupe maximale dudit couteau pendant l'application d'un poids sur outil en excès de ce qui est nécessaire pour que ledit couteau pénètre dans la formation dans la gamme de profondeurs de coupe sélectionnées.

12. Procédé suivant la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il comprend en outre une limitation de la profondeur de coupe maximale dudit couteau pendant une application d'un poids sur outil en excès, en prévoyant au moins une surface porteuse, faisant face à la formation, sur le trépan et entourant dans l'ensemble au moins une partie dudit couteau et limitant une valeur d'exposition dudit couteau perpendiculairement dans l'ensemble à ladite surface porteuse faisant face à la formation.

13. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un maintien de la profondeur de coupe maximale dudit couteau sous le poids sur outil en excès en prévoyant sur le trépan une aire de surface porteuse totale, faisant face à la formation, suffisante pour supporter axialement le trépan sur la formation sans endommagement important de la formation qui est axialement en-dessous du trépan.

14. Procédé suivant la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il comprend en outre :

- un application d'un premier poids sur outil sélectionné pour amener ledit couteau à entrer en prise avec une première formation à une première profondeur de coupe sélectionnée, et

- une opposition à une pénétration subséquente dudit couteau dans la première formation en dépassement de la profondeur de coupe maximale pendant l'application d'un poids sur outil en excès qui dépasse le premier poids sur outil sélectionné.

15. Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un maintien de la profondeur de coupe sélectionnée sous un poids sur outil en excès, qui dépasse le premier poids sur outil sélectionné, en prévoyant sur le trépan une surface porteuse pour distribuer le poids sur outil en excès, qui dépasse le premier poids sur outil sélectionné, suffisante pour obtenir sur la formation, par la surface porteuse, une charge unitaire moindre que la résistance à la compression de la formation.

16. Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - une application d'un second poids sur outil sélectionné, différent du premier poids sur outil sélectionné, pour amener ledit couteau à entrer en prise avec une seconde formation à une seconde profondeur de coupe sélectionnée différente de la première profondeur de coupe sélectionnée, et

- une opposition à une pénétration subséquente dudit couteau dans la seconde formation en dépassement de la profondeur de coupe maximale pendant une application d'un poids sur outil en excès qui dépasse le second poids sur outil sélectionné.

17. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé par une limitation de la profondeur de coupe maximale dudit couteau pendant une application d'un poids sur outil en excès, en prévoyant ladite surface porteuse, faisant face à la formation, qui entoure dans l'ensemble ladite partie dudit couteau et en ce qu'une limitation de la valeur d'exposition dudit couteau perpendiculairement dans l'ensemble à ladite surface porteuse faisant face à la formation, comprend une limitation d'une profondeur de coupe maximale d'une pluralité de couteaux très abrasifs et en ce que plusieurs de pluralité de couteaux très abrasifs sont fixés respectivement à une pluralité de structures de lame qui s'étendent radialement vers l'extérieur, à partir d'un axe longitudinal du trépan, dans l'ensemble vers une zone de calibre du trépan.

18. Procédé suivant la revendication 17, caractérisé en ce qu'une limitation de la profondeur de coupe maximale de la pluralité de couteaux très abrasifs comprend respectivement une limitation, à une hauteur d'exposition sélectionnée de couteaux, de la valeur d'exposition de chacun de la pluralité des couteaux très abrasifs perpendiculairement à ladite surface porteuse respective, faisant face à la formation, contiguë de chacun de la pluralité de couteaux très abrasifs.

19. Procédé suivant la revendication 18, caractérisé en ce qu'une limitation de la profondeur de coupe maximale de la pluralité de couteaux très abrasifs compre[pi]d respectivement une limitation, à une hauteur d'exposition de couteaux qui ne dépasse pas approximativement 3,05 mm, de la valeur d'exposition de chacun de la pluralité de couteaux très abrasifs perpendiculairement à ladite surface porteuse respective, faisant face à la formation, contiguë de chacun de la pluralité de couteaux très abrasifs situés dans une zone de couronne du trépan.

20. Procédé suivant la revendication 19, caractérisé en ce qu'une limitation de la profondeur de coupe maximale de la pluralité de couteaux très abrasifs comprend une limitation de la valeur d'exposition d'au moins un couteau très abrasif de la pluralité, situé dans une zone de nez, à une hauteur d'exposition de couteau qui ne dépasse pas approximativement 3,81 mm, une limitation de la valeur d'exposition d'au moins un couteau très abrasif[deg.]de la pluralité, situé dans une zone de flanc, à une hauteur d'exposition de couteau qui ne dépasse pas approximativement 0,25 mm, et une limitation de la valeur d'exposition d'au moins un couteau très abrasif de la pluralité, situé dans une zone d'epaulement, à une hauteur d'exposition de couteau qui ne dépasse pas approximativement 1 ,60 mm.