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Trépan pour le forage du sol. la présente invention se rapporte d'une façon générale aux trépans utilisés pour le forage du sol. Il est déjà connu d* employer, dans le forage pétrolier, des trépans massifs chargés d'éléments durs, notamment des trépans au diamant', et ceux-ci ont pris une extension croissante au cours'de ces dernières années. Ces trépans ont été utilisés le plus souvent pour le forage conventionnel,'avec entraînement depuis la surface, au moyen d'un train de tiges.
Lorsqu'on a tenté de les appliquer au forage par moteur souterrain et en particulier au forage à la turbine, qui utilisent des vitesses de rotation nettement plus grandes,
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on a décelé un certain nombre d'inconvénients, qui réduisent manifestement la rentabilité et la sécurité de leur application.
Ainsi, la zone centrale d'un trépan massif constitue un point faible, étant donné que l'efficacité d'un élément de coupe, en particulier d'un diamant, croit avec la vitesse linéaire, et que la vitesse linéaire d'un élément de coupe décroît avec le rayon, pour s'annuler sur l'axe de l'outil. Par ailleurs, les canaux de circulation habituellement prévus se colmatent facilement dans les terrains plastiques, et la section généralement adoptée pour ces canaux dans le forage conventionnel est insuffisante pour le forage à la turbine, par exemple, qui n'admet ,pas de pertes de charge appréciables dans l'outil.
Un autre point critique réside également dans la stabilité du diamètre extérieur de la couronne de forage, car une perte de diamètre pendant le travail entraîne des opérations de reforage préjudiciables à l'avancement.
Avec les trépans massifs existants, on note en outre à grande vitesse une usure prononcée de l'épaulement arrière, dirigé vers le filetage, de la partie tra- vaillante de l'outil, usure qui est due à l'action abra- sive des débris de roches s'accumulant dans l'espace annulaire ménagé en général pour des raisons construc- tives entre l'outil et les masses-tiges ou ltarbre du moteur souterrain qui le surmonte.
Enfin, les trépans existants sont, en général, adaptés plus spécialement à un terrain déterminé, et un changement d'outil est souvent nécessaire lors du forage en terrain non homogène.
L'un des buts de l'invention est de remédier aux inconvénients précités et de permettre la réalisation d'un trépan massif pour le forage à plein diamètre, ayant
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une plus grande efficacité, notamment lors du forage par moteur souterrain, et capable de fournir des résultats de forage convenables dans des terrains non homogènes.
L'invention est matérialisée dans un trépan massif pour le forage à plein diamètre, comportant un corps de forme tubulaire, et des ailes séparées, ménageant entre elles des canaux de circulation et coiffant la partie avant de ce corps, les portions de ces ailes dirigées radialement vers l'intérieur étant interrompues à une certaine distance de l'axe du trépan, afin de ménager au centre de celui-ci une cheminée en forme d'âme creuse, librement dégagée vers l'arrière, débouchant dans une chambre formée à l'intérieur du corps du trépan.
Dans l'ensemble de la description, les termes "vers l'avant" et "vers l'arrière" doivent être inter- prétés en considérant le sens d'avancement de l'outil au cours du forage.
Lors du forage, la cheminée ou âme creuse de ce trépan laisse subsister, dans l'axe de l'outil, un cylindre de roche dont le diamètre est choisi en fonc- tion de lanature du terrain et du mode de forage. Etant donné qu'il s'agit, dans le cas présent, d'un trépan destiné au forage à plein diamètre, et qu'aucun carottage n'est envisagé, des organes coupe-, casse- ou arrache- carottes de type quelconque peuvent, suivant une par- ticularité de l'invention, être prévus dans cette che- minée, afin de briser ou de désagréger le cylindre de roche précité si cela est nécessaire.
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Les ailes séparées (dont le nombre peut être quelconque à partir de un) coiffant la partie terminale avant du corps tubulaire du trépan présentent des plages de travail s'étendant, sur leur surface libre opposée au corps, depuis la cheminée jusqu'à un bord extérieur arrière.
Ces plages sont revêtues ou garnies d'éléments de coupe d'abrasion ou de broyage durs, qui peuvent être soit serti. ou incrustés dans leur surface, soit répartis dans la masse même de la matière constituant les plages. Ces élé- ments peuvent être foimés par des incrustations, des pro- tubérances, des pastilles, des dents, etc.. en des matières résistantes telles que le diamant, oertains carbures, des matières coraniques, certains alliages, etc., emplo- yés séparément ou en combinaison. Le profil transversal de ces plages peut avoir toute forme désirée, plane, polygonale, circulaire, elliptique, etc.. Dans leur partie externe, ces plages forment des zones d'alésage cylindriques coaxiales à l'outil, de manière à conserver au trou foré le diamètre désiré pendant l'avancement.
Elles se terminent, sur leur bord extérieur arrière, par des rampes inclinées dans un sens assurant l'évacuation vers l'arrière des débris de roches provenant du forage.
La surface travaillante des plages peut être lisse ou former des protubérances, par exemple grâce à la présence de facettes, de pointes, de sillons, de cannelures ou d'ondulations à profil arrondi ou anguleux, parallèles, perpendiculaires ou inclinées par rapport à l'axe de l'outil. La présence d'ondulations échancrant le bord d'attaque des ailes est intéressante, par exemple, dans les terrains à avancement très rapide, dans lesquels la face d'attaque des ailes contribue alors à la destruction de la roche. Dans ce cas, les ondulations, de préférence légèrement inclinées, par exemple en spirale, sont dispo-
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sées avantageusement de façon à obtenir un chevau- chement ou décalage entre les profils des ondulations sur les faces d'attaque successives des ailes.
Suivant une autre particularité de l'invention, les ailes séparées coiffant la partie terminale du corps tubulaire ménagent entre elles des canaux de passage de grande section, qui sont profilés de façon à permettre en tous leurs points un dégagement des débris de roches, dans le sens de la circulation du courant de fluide. Ces canaux peuvent avoir des profils simples, afin de faciliter l'usinage dans le cas d'ou- tils usinés, ou bien ils peuvent épouser des profils hydrauliques complexes, si cela est rendu désirable pour la protection contre l'érosion, pour les besoins de l'irrigation des plages, ou par suite du danger d'obstruction des canaux.
Le corps tubulaire de l'outil peut présenter une partie avant de diamètre extérieur décroissant, de façon à ménager à chaque niveau horizontal une section de passage suffisante pour les canaux. Cette partie du corps se prolonge vers l'ar- rière par une partie cylindrique, qui a un diamètre extérieur sensiblement égal à celui de l'élément, tel qu'une masse-tige , ou un arbre de turbine ou d'électro- foreuse, etc.., sur lequel l'outil vient se raccorder.
Les surfaces internes de ces canaux, de même que les rampes supérieures des ailes, peuvent être elles-mêmes entièrement ou partiellement revêtues ou garnies dtélé- ments durs du type énuméré ci-avant, destinés à contri- buer à désagréger au passage les débris de la carotte ou les débris de roche de dimensions appréciables. Par ailleurs, les ailes, de même que les canaux, peuvent être ou non identiques entre eux, et ils peuvent être symétriques ou non. Les ailes peuvent également porter
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des canaux d'irrigation secondaires de typa classique.
L'épaisseur et la forme de chaque aile et le rapport entre l'espace occupé par les ailes et celui occupé, par les canaux peuvent varier dans de larges limites.
Une cloison circulaire pourrait être ménagée autour de la cheminée centrale pour guider la carotte dans sa -remontée vers la chambre, cette cloison pouvant être solidaire des ailes, celles-ci demeurant toutefois séparées sur leur plus grande partie.
Suivant une autre particularité encore, l'âme creuse formée par la cheminée centrale ménagée entre les parties internes (dans le sens radial) des ailes peut présenter une portion évasée vers l'arrière, fa- cilitantle débourrage de cette cheminée sous l'effet de la pression sur le sol qui résulte de l'avancement de l'outil, et débouchant dans la chambre ménagée à l'intérieur du corps tubulair e. Cette chambre a, de préférence, des dimensions suffisantes pour permettre aux débris de carotte de se déplacer avec une certaine liberté, afin qu'une accumulation momentanée des débris à l'intérieur de la chambre ne crée pas une obstruc- tion, mais permette au contraire leur désagrégation pro- gressive sous l'effet du courant de fluide.
Après cette désagrégation, les débris de carotte sont entraînés hors de la chambre à travers les canaux, par le fluide de cir- culation.
Les ailes se terminent vers l'arrière, à l'intérieur du corps, par des méplats formant une plate-forme ou grille sur laquelle s'amorcent les canaux d'irrigation et d'évacuation des débris, ménagés'entre les ailes. Cette plate-forme peut être plane, conique, ou avoir toute autre forme désirée, et peut être garnie également d'éléments dur s .
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Le corps tubulaire du trépan peut être monobloc ou constitué par plusieurs éléments assemblés axiale- ment ou radialement,par exemple par soudage, vissage, etc.. Le raccordement avec la colonne de forage peut se faire par vissage mâle ou femelle.
La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatif, per- mettra de mieux comprendre l'invention.
La fig. 1 est une vue en élévation d'un trépan suivant un mode de réalisation possible de l'invention.
La fige 2 est une vue en plan du dessous d'un trépan correspondant au mode de réalisation montré sur la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en coupe verticale d'un autre mode de réalisation, par un plan diamétral.
La fig. 4 est une vue en plan du dessous corres- pondant à une variante.
Le trépan représenté sur les figs. 1 et 2 comprend un corps tubulaire 1, muni d'un filetage femelle (non représenté) et coiffé sur sa partie terminale avant (dans le sens du forage) par des ailes 2, qui pouvant venir directement d'usinage avec le corps, mais qui sont séparées géométriquement l'une de l'autre. Seule la partie externe des ailes est visible sur la fig. 1.
Chaque aile 2 présente une zone d'alésage cylin- drique externe 3, qui se prolonge vers le bas par une plage de forage arrondie 4, se terminant sur une face d'attaque radiale 5 délimitant avec la face arrière 6 de l'aile immédiatement précédente (dans le sens de rotation de l'outil) un canal de circulation 7 de grandes dimensions et s'évasant dans le sens du courant.
La zone d'alésage cylindrique 3 de chaque aile 2 est limitée vers le haut par une rampe de sortie 8, qui est
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orientée de manière à assurer l'évacuation vers l'arrière des débris de roche provenant du forage. La plage de forage 4 et la face d'attaque 5 peuvent être revêtues ou garnies d'éléments de coupe durs. Dans le mode de réalisation considéré, la plage de forage 4 est lisse, par opposition au mode de réalisation représenté sur la fig. 3.
Comme visible sur les figs. 1 et 2, les ailes 2 sont interrompues à une certaine distance de l'axe de l'outil, de manière à ménager une cheminée centrale 9, dont le rôle sera décrit plus en détail plus loin. On a indiqué en 10 sur la fig. 2 une bague rompue formant brise-carotte.
Le trépan représenté sur les figs. 1 et 2 comporte quatre ailes uniformément réparties et, comme visible sur la fig. 1, la partie avant 11 du corps a un dia- mètre allant en décroissant, afin de ménager à chaque niveau une section utile suffisante pour les canaux de circulation 7, comme indiqué précédemment.
Le trépan représenté sur la fig. 3 comprend un corps tubulaire 12, muni d'un filetage mâle 13 pour son raccordement à une masse-tige ou à un arbre de moteur ou de turbine (non représenté), la partie épaulée 14 de ce corps ayant un diamètre sensiblement égal à celui de cette masse-tige ou de cet arbre. Le corps 12 présente ici encore une partie avant 15 dont le diamètre extérieur va en diminuant.
Ce trépan comprend quatre ailes 16 qui coiffent la partie terminale avant du corps 12. Comme dans le mode de réalisation précédent, chaque aile 16 présente une zone d'alésage extérieure cylindrique 17, limitée vers l'arrière par une rampe 28 d'évacuation de débris de roches, et une plage de forage arrondie 18, ainsi
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qu'une face d'attaque 19. La plage de forage 18 prés ente, dans le cas présent, des cannelures ou ondulations 20, qui sont de préférence légèrement inclinées vers l'aval dans le sens de circulation du fluide. On prévoit, de préférence, un chevauchement ou décalage entre les pro- fils des cannelures 20 des ailes successives dans le sens de rotation da l'outil.
Comme dans le cas précédent, les ailes 16 ménagent entre elles des canaux de circulation 21 de grande section ; elles sont interrompues, vers l'intérieur, à une certaine distance de l'axe de l'outil, de manière à ménager une cheminée centrale. Celle-ci comporte une partie avant cylindrique 23, rejoignant un organe brise-carotte 24 à bague rompue, et se poursuivant vers l'arrière par une partie évasée25, qui débouche librement dans une chambre de grandes dimensions 26 ménagée à l'intérieur du corps tubulaire 12 du trépan. Les ailes 16 sont limitées vers l'arrière, à l'intérieur du corps 12, par des méplats internes 27 formant une grille ou plate-forme conique.
Le mode dtaction des plages de forage 18, des zones d'alésage 17, et éventuellement des faces d'atta- que 19 des ailes 16 pendant le forage se comprend aisé- ment. Suivant l'invention, pendant l'avancement de l'ou- til, un cylindre de roche non attaqué pénètre dans la cheminée 22 ménagée entre les ailes. La carotte repré- entée par ce cylindre se brise en général au fur et à mesure de sa pénétration dans la chambre centrale 26, son diamètre ayant été déterminé selon la nature du terrain.
Dans le cas de roches très résistantes, elle est brisée au cours des dégagements de l'outil par l'action de la bague 24 qui la maintient axialement en place, et les morceaux de carotte parviennent facilement, vers l'arrière dans la chambre 26, par suite du libre
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dégagement de la partie évasée 25 dé la cheminée 22.
Ces débris, même accumulés momentanément, ne peuvent constituer une obstruction par suite des grandes dimen- sions de la chambre 26. Ils peuvent prendre appui sur les plages internes 27 ou se déplacer librement dans cette chambre, et y subir même une désagrégation, avant d'être entraînés et évacués par les canaux de circula- tion 21 de grande section.
.On voit qu'on évite de cette manière le forage de la zone centrale qui, dans les trépans massifs exis- tants pour le forage à plein diamètre, gênait l'avance- ment de l'outil à cause de la vitesse linéaire trop faible ou nulle des éléments de coupe en cet endroit.
Suivant le mode de réalisation représenté sur la fig. 4, le corps tubul@@re 34 est coiffé sur sa partie avant par des ailes séparées 29 à profil arrondi et à faces d'attaque 30 incurvées,donnant aux canaux de cir- culation 31 un profil curviligne. Les bords de ces canaux sont en outre inclinés axialement, comme visible sur- la figure,par suite de l'inclinaison des faces d'attaque 30 par rapport au plan du dessin. On a indiqué en 32 la cheminée centrale, qui déboucha librement vers l'arrière dans la chambre de grandes dimensions 33 du corps.
Les détails de réalisation peuvent être modifiés, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention.