BE1019132A3 - Trepan rotatif et procede pour la fabrication de celui-ci. - Google Patents
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Abstract
Trépan rotatif comprenant un corps d'outil avec un noyau axial (1) et des ailettes radiales (2), des rainures (6) creusées dans la tranche (5) des ailettes, transversalement à celles-ci et des éléments coupants cylindriques (8) qui sont disposés dans les rainures, transversalement aux ailettes.
Description
Trépan rotatif et procédé pour la fabrication de celui-ci Domaine de l'invention L'invention se rapporte aux trépans rotatifs, spécialement aux trépans destinés au forage de puits dans des gisements de pétrole ou de gaz ou le carottage dans de tels gisements.
L'invention concerne plus particulièrement un trépan rotatif du type comprenant un corps d'outil avec un noyau axial et des ailettes radiales percées d'alvéoles contenant des éléments coupants en diamants imprégnés.
Etat de la technique
Des trépans rotatifs du type de celui défini plus haut sont couramment utilisés pour le forage de puits dans des gisements de pétrole ou de gaz.
Dans le document US 2002/0125048 Al, on décrit un trépan du type défini plus haut, dans lequel le corps et les ailettes forment un ensemble unitaire en diamants imprégnés, les ailettes étant percées d'alvéoles cylindriques contenant des éléments coupants en diamants imprégnés. La fabrication de tels trépans présente le désavantage de soumettre le corps d'outil à de très hautes températures (on cite une température de 12Ö4 °C), pendant un temps relativement long, ce qui a pour résultat désavantageux d'y générer des contraintes mécaniques susceptibles de le fragiliser. Par ailleurs, l'insertion et la fixation des éléments coupants dans les alvéoles cylindriques est rendue compliquée par le profil cylindrique des alvéoles.
Dans le document 2002/0125048 Al, on suggère certes de réaliser le corps d'outil en acier, mais il s'agit manifestement d'une description accidentelle, allant à l'encontre de la conception voulue par les inventeurs. En effet, selon ceux-ci, le volume de la matière diamantée des éléments coupants dans les alvéoles n'excède pas 40 % du volume totale de la matière diamantée du trépan, le solde (au moins 60 %) étant logé dans le corps du trépan.
Dans le trépan connu qui vient d'être décrit, une partie substantielle des éléments coupants cylindriques est enfouie dans les alvéoles et ne participe dès lors pas au forage, ce qui a un effet défavorable sur le coût de fabrication de l'outil de forage, sur son efficacité et sur sa durée de vie.
Résumé de l'invention L'invention vise à remédier aux désavantages précités des trépans connus décrits plus haut.
L'invention vise plus particulièrement à fournir un trépan rotatif d'une conception nouvelle, dont la fabrication ne nécessite pas la mise en œuvre de températures élevées pendant des temps exagérément longs.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un trépan rotatif qui n'est pas le siège de contraintes mécaniques internes susceptibles de le fragiliser et qui présente de ce fait une résistance mécanique améliorée.
Un objectif supplémentaire de l'invention est de fournir un trépan permettant une utilisation plus économique des éléments coupants et qui, de ce fait, présente une efficacité supérieure et une durée de vie plus longue.
L'invention a aussi pour objectif de fournir des trépans, adaptés à subir des réparations et une remise en état après utilisation.
L'invention vise aussi à fournir un procédé nouveau pour la fabrication d'un tel trépan, qui ne nécessite pas un traitement thermique à haute température et qui, en conséquence, évite les risques de fissuration de l'outil, inhérents au procédé connu décrit plus haut.
En conséquence, l'invention concerne un trépan rotatif comprenant un corps d'outil avec un noyau axial et des ailettes radiales percées d'alvéoles contenant des éléments coupants en diamants imprégnés, le trépan se caractérisant en ce que le corps d'outil est en acier, en ce que les alvéoles sont des rainures creusées dans la tranche des ailettes, transversalement à celles-ci et en ce que les éléments coupants sont des cylindres qui sont disposés dans les rainures, transversalement aux ailettes.
Description détaillée de l'invention
De manière connue en soi pour les trépans rotatifs connus, le corps du trépan selon l'invention est de révolution et il est destiné à être équipé d'éléments coupants..conçus pour forer des puits, par exemple dans des gisement de pétrole ou de gaz. A cet effet, la partie postérieure du noyau axial est normalement agencée pour pouvoir être fixée à un train de tiges couplé à un moteur.
Les ailettes sont normalement réparties uniformément à la périphérie du noyau et elles sont percées d'alvéoles contenant des éléments coupants.
Selon une première caractéristique de l'invention, le noyau et les ailettes sont en acier. Le choix de la nuance de l'acier n'est pas critique pour la définition de l'invention. La nuance d'acier qui convient peut être déterminées aisément par l'homme du métier. En pratique, et à titre d'exemples, les nuances suivantes conviennent bien : 4145H, 4140, ST52
Le corps d'outil du trépan porte des éléments coupants en diamants imprégnés. Les éléments coupants en diamants imprégnés sont bien connus dans le secteur du forage minier, notamment dans les gisements de pétrole et de gaz. De manière générale, ils sont obtenus en mélangeant une poudre diamantée (éventuellement additionnée d'une poudre de carbure métallique, par exemple du carbure de tungstène) avec une poudre d'un liant fusible (par exemple une brasure Cu-Mn) et en soumettant ensuite le mélange ainsi réalisé à un compactage suivi d'un frittage. Des informations sur cette technique sont accessibles dans le document US 2002/0125048A1. Selon l'invention, les éléments coupants en diamants imprégnés sont des cylindres.
Une autre caractéristique de l'invention réside dans la forme et la disposition des alvéoles contenant les éléments coupants cylindriques. Selon l'invention, lesdites alvéoles sont des rainures, qui sont creusées dans la tranche ou bordure des ailettes et qui sont orientés transversalement par rapport à celles-ci. De ce fait, les rainures sont sensiblement dirigées dans le sens de la rotation du corps d'outil. Les rainures sont avantageusement. semi-cylindriques, leur section transversale étant de préférence circulaire ou ovale. L'invention couvre toutefois également des sections transversales polygonales, par exemple carrées, rectangulaires, hexagonales ou octogonales.
Les éléments coupants du trépan selon l'invention sont des cylindres.' La section transversale des cylindres n'est pas critique pour la définition de l'invention. Elle est de préférence circulaire ou ovale, la section transversale circulaire étant préférée. L'invention couvre toutefois également des sections transversales polygonales, par exemple carrées, rectangulaires, hexagonales ou octogonales. Les extrémités des cylindres peuvent être planes ou bombées et elles peuvent être perpendiculaires ou obliques par rapport à l'axe du cylindre.
Les éléments coupants cylindriques sont logés chacun dans une des rainures précitées des ailettes. Il est normalement préférable que la section transversale du cylindre des éléments coupants soit compatible avec celle des rainures, de manière que le cylindre soit sensiblement en contact avec la totalité de la paroi de la rainure. Chaque rainure peut comprendre un élément coupant Unique. En variante, des rainures peuvent comprendre un alignement de plusieurs éléments coupants cylindriques accolés. Dans cette variante de l'invention, les faces accolées des éléments coupants sont normalement complémentaires. Elles sont de préférence planes. Cette variante de l'invention permet l'utilisation d'éléments coupants de longueur standards, ce qui facilite la fabrication du trépan et réduit son prix de revient.
La fixation des éléments coupants dans leurs rainures respectives peut être réalisée par tout moyen approprié. Ils sont avantageusement brasés dans leur rainure.
Dans le trépan selon l'invention, le cylindre des éléments coupants forme une aspérité saillante devant la tranche des ailettes.
Dans une forme de réalisation particulière du trépan selon l'invention, les rainures débouchent à travers une face radiale de leur ailette et le cylindre des éléments coupants a une extrémité en saillie devant ladite face radiale de l'ailette. Cette face radiale de l'ailette est normalement celle qui est située devant sa tranche, par rapport au sens normal de rotation du corps du trépan autour de l'axe du noyau. Dans la suite du présent mémoire, cette face de l'ailette sera désignée « face antérieure » de l'ailette.
Dans une autre forme de réalisation du trépan selon l'invention, le cylindre des éléments coupants a une extrémité ou face transversale qui est appliquée contre une extrémité ou face transversale correspondante de sa rainure. Dans cette forme de réalisation du trépan, les faces du cylindre et de la rainure qui sont en contact sont des faces postérieures par rapport au sens normal de rotation du trépan. Dans la suite du présent mémoire, ces deux faces seront désignées « faces postérieures ». Dans cette forme de réalisation de l'invention, la face postérieure du cylindre est de préférence en contact avec la totalité de la face postérieure de la rainure. Dans un premier mode d'exécution de cette forme de réalisation du trépan, les faces postérieures susdites du cylindre et de sa rainure sont sensiblement planes. Dans un autre mode d'exécution de cette forme de réalisation du trépan, les faces postérieures susdites du cylindre et de sa rainure sont bombées, la face postérieure du cylindre étant convexe et celle de la rainure étant concave.
Le trépan rotatif selon l'invention trouve des applications pour le forage de tous types de puits pour diverses applications. Il est tout spécialement adapté au forage de puits profonds dans des gisements de pétrole ou de gaz ou pour le carottage dans de tels gisements.
L'invention concerne aussi un procédé original pour la fabrication d'un trépan rotatif conforme à l'invention.
En conséquence, l'invention concerne aussi un procédé pour la fabrication d'un trépan rotatif comprenant des éléments coupants cylindriques en diamants imprégnés, dans des alvéoles ménagées dans des ailettes radiales d'un corps d'outil, fixées à un noyau axial dudit corps d'outil, le procédé se caractérisant en ce que l'on fabrique le noyau et les ailettes en acier, en ce que les alvéoles sont des rainures que l'on ménage à travers la tranche périphérique des ailettes, transversalement auxdites ailettes, et en ce qu'on dispose les éléments coupants cylindriques dans les rainures, transversalement aux ailettes et, on solidarise lesdits éléments coupants à la paroi desdites rainures.
Dans le procédé selon l'invention, les caractéristiques du noyau, des ailettes, des rainures et des éléments coupants sont identiques à celles qui ont été définies plus haut, en relation avec le trépan selon l'invention.
Dans le procédé selon l'invention, le corps d'outil peut être fabriqué en un bloc monolithique incorporant le noyau et les ailettes. Dans un mode d'exécution différent, on peut fabriquer séparément le noyau, d'une part, et les ailettes, d'autre part, et on assemble par la suite les ailettes au noyau, par exemple par une opération de soudage.
Dans le procédé selon l'invention, on peut faire usage de tous moyens appropriés pour façonner les rainures dans les ailettes. On préfère néanmoins faire usage d'un usinage mécanique, celui-ci étant alors normalement effectué par fraisage sur un banc d'usinage. Dans cette forme de réalisation de l'invention, l'usinage des rainures peut être effectué sur les ailettes solidaires du noyau.
Dans un mode de réalisation modifié, l'usinage des nervures est effectué sur les ailettes dissociées du noyau, les ailettes étant par la suite fixées à la périphérie du noyau. Ce mode de réalisation de l'invention est de nature à faciliter l'usinage des rainures. Il est spécialement indiqué lorsque l'on cherche à obtenir des rainures ayant une face postérieure plane telle que définie plus haut.
Comme il a été exposé plus haut, la fabrication des éléments coupants en diamants imprégnés comprend un compactage d'une poudre dans un moule cylindrique au moyen d'un . piston ou d'une paire de pistons, le compactage étant suivi d'un frittage. Dans le cas où on cherche à obtenir des éléments coupants dont la face . postérieure est bombée et convexe, le piston de la presse de compactage a un profil bombé concave, dont l'arête périphérique est soumise à une usure intense. Pour éviter cette usure et une dégradation rapide du piston, on proposé, dans ùne forme de réalisation particulière du procédé selon l'invention, de faire usage d'un piston comprenant une bordure annulaire plane à la périphérie de sa face bombée concave.
Brève description des figures
Des particularités et détails de l'invention vont apparaître au cours de la description suivante des figures annexées, qui représentent quelques formes de réalisation particulières de l'invention.
La figure 1 montre en perspective un trépan conforme à l'invention ;
La figure 2 est une vue en perspective d'un élément coupant du trépan de la figure 1 ;
Les figures 3 à 6 montrent quatre formes de réalisation particulières d'un détail de l'élément coupant de la figure 2, en section transversale selon le plan Y-Y de la figure 2.
Les figures ne sont pas dessinées à l'échelle.
Généralement, les mêmes numéros de référence désignent les mêmes éléments.
Description détaillée de modes de réalisation particuliers
Le trépan représenté à la figure 1 comprend un corps d'outil incorporant un noyau axial 1 et des ailettes radiales 2 fixées à la périphérie du noyau 1. Le noyau 1 est prolongé par un embout fileté 3 destiné à le fixer à un train de tiges (non représenté) d'une installation de forage ou de carottage. Les ailettes radiales 2 sont uniformément réparties à la périphérie du noyau 1. Elles présentent chacune, de manière classique, deux faces radiales planes 4, et une tranche 5. Les ailettes 2 sont percées d'alvéoles 6.
Conformément à l'invention, le noyau 1, l'embout fileté 3 et les ailettes 2 sont en acier. Les alvéoles 6 sont des rainures semi-cylindriques qui sont creusées dans la tranche 5 des ailettes, transversalement aux faces radiales 4 de celles-ci. Les rainures 6 traversent la face radiale.. antérieure 4 des ailettes et elles présentent une extrémité postérieure ou de fond 7 qui est bombée concave. Par définition, la face antérieure d'une ailette 2 est la face radiale 4 de celle-ci qui se trouve en avant de sa tranche 5 par rapport au sens normal de rotation X du trépan. La face postérieure de l'ailette est sa face radiale 4 qui se trouve derrière sa tranche 5 par rapport au sens normal de rotation X du trépan.
Les rainures 6 contiennent chacune un élément coupant 8. Les éléments coupants 8 sont du type à diamants imprégnés, défini plus haut. Ils ont été obtenus par un procédé comprenant un compactage d'une poudre diamantée contenant du carbure de tungstène (éventuellement additionné de carbure de cobalt) et une poudre d'une brasure Cu-Mn, la poudre compactée obtenue étant ensuite soumise à un frittage sous atmosphère inerte (par exemple sous argon) ou réductrice. On fait avantageusement usage de la technique de pressage isostatique à chaud, généralement dénommée « technique HIP (« Hot isostatic Pressing » en langage anglo-saxon).
Un élément coupant 8 est montré à grande échelle à la figure 2. Il présente un profil oblong, avec un face antérieure 9 sensiblement plane et une face postérieure bombée convexe 10. La face bombée convexe 10 correspond à la face bombée concave 7 des rainures 6. Les adjectifs « antérieure » et « postérieure » sont définis par rapport au sens X de rotation du trépan, comme énoncé plus haut.
Lorsque les éléments coupants 8 sont insérés dans leurs rainures respectives 6, leur face postérieure bombée 10 est appliquée contre la face postérieure bombée 7 correspondante -de la rainure. Il est souhaitable que la totalité de la face bombée concave 7 de la rainure soit en contact avec la face bombée convexe 10 de l'élément coupant. La face antérieure 9 des éléments coupant 8 se trouve en saillie devant la face antérieure 4 de la rainure et sa face périphérique latérale 11 se trouve en saillie devant la tranche 5 de l'ailette 2. Les éléments Coupants 8 reposent sur le fond des rainures 6, auquel ils sont solidarisés au moyen d'une brasure. Leur face bombée convexe 10 peut éventuellement être brasée à la face concave correspondante 7 de la rainure 6.
Aux figures 3 à 6, on a montré quatre profils particuliers de la face postérieure bombée 10 des éléments coupants 8.
La face postérieure 10 de l'élément coupant de la figure 3 présente une partie cylindriqué circulaire 12 qui est raccordée aux faces latérales planes 13 de l'élément par deux ressauts 14. Ces deux ressauts 14 sont la conséquence de -1'outillage utilisé pour le compactage de la poudre diamantée lors de la fabrication de l'élément coupant. Plus particulièrement, le compactage a été réalisé dans une presse tubulaire au moyen d'un piston dont le profil bombé concave comprend une bordure annulaire plane à sa périphérie.
A la figure 4, la face postérieure 10 de l'élément coupant 8 présente une face plane 15, qui est raccordée aux deux faces planes 13 par deux arêtes cintrées 16 et les deux redans 14 décrits plus haut.
Les figures 5 et 6 montrent des variantes de la forme de réalisation de la figure 4. Dans ces deux figures, les arêtes cintrées 16 ont des rayons de courbure plus grands qu'à la figure-4, ce qui réduit l'importance de la face place 15.
La face postérieure 7 des rainures 6 doit avoir un profil complémentaire de celui de la face postérieure 10 de l'élément coupant 8. Dans le cas des éléments coupants des figures 3 à 6, la face postérieure 7 des rainures 6 est généralement Obtenue par usinage au moyen d'une fraise que l'on positionne et déplace de manière adéquate dans la rainure 6.
Claims (16)
1. Trépan rotatif comprenant un corps d'outil avec un noyau axial (1) et des ailettes radiales (2) percées d'alvéoles contenant des éléments coupants en diamants imprégnés, caractérisé en ce que le corps d'outil est en acier, en ce que les alvéoles sont des rainures (6) creusées dans la tranche (5) des ailettes, transversalement à celles-ci et en ce que les éléments coupants sont des cylindres (8) qui sont disposés dans les rainures, transversalement aux ailettes.
2. Trépan selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments coupants (8) sont brasés dans leurs rainures respectives (6).
3. Trépan selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les rainures (6) débouchent à travers une face radiale (4) de leur ailette (2) et le cylindre (8) des éléments coupants a une extrémité (9) en saillie devant ladite face radiale (4) de l'ailette.
4. Trépan selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le cylindre (8) des éléments coupants a une extrémité transversale (10) qui est appliquée contre une extrémité transversale correspondante (7) de sa rainure (6).
5. Trépan selon la revendication 4, caractérisé en ce que les extrémités transversales susdites (10, 7) du cylindre (8) et de la rainure (7) sont sensiblement planes.
6. Trépan selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'extrémité précitée (10) du cylindre (8) est bombée convexe et l'extrémité correspondante (7) de la rainure (6) est bombée concave.
7. Procédé pour la fabrication d'un trépan rotatif comprenant des éléments coupants cylindriques en diamants imprégnés, dans des alvéoles ménagées dans des ailettes radiales d'un corps d'outil, fixées à un noyau axial dudit corps d'outil, caractérisé en ce qu'on fabrique le noyau (1) et les ailettes (2) en acier, en ce que les alvéoles sont des rainures (6) que l'on ménage à travers la tranche périphérique (5) des ailettes, transversalement auxdites ailettes, et en ce qu'on dispose les éléments coupants cylindriques (8) dans les rainures, transversalement aux ailettes et on solidarise. lesdits éléments coupants à la paroi desdites rainures.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on applique une extrémité transversale (10) du cylindre (8) des éléments coupants contre une extrémité transversale correspondante (7) de sa rainure (6).
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'extrémité transversale (10) du cylindre (8) et l'extrémité transversale correspondante (7) de sa rainure (6) sont planes.
10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'extrémité transversale (10) du cylindre (8) est bombée convexe et l'extrémité transversale correspondante (7) de sa rainure (6) est bombée concave.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendication 7 à 10, caractérisé en ce que la fixation des éléments coupants (8) à la paroi des rainures (6) est obtenue par une brasure.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que les rainures (6) sont obtenus par usinage mécanique.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les rainures (6) sont usinées au moyen d'une fraise que l'on manœuvre pour générer un fond hémisphérique concave dans l'extrémité postérieure (7) de la rainure (6) .
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce qu'on usine les rainures (6) dans les ailettes (2) que l'on soude ensuite au noyau (1) du corps d'outil.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que, pour former le cylindre. (8) des éléments coupants, on compacte une poudre diamantée contenant un liant fusible, dans un moule cylindrique au moyen d'un piston à face bombée concave et on soumet ensuite la poudre compactée à un frittage.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le piston comprend une bordure annulaire plane à la périphérie de sa face bombée.
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