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Outil à Percussion pour forages et application analogue..
La présente invention est relative à un trépan de forage, nouveau et utile, approprié à l'emploi sur un appareil de forage fonctionnant par rotation et percussion. Ses caracté- ristiques essentielles sont destinées à fournir un trépan de forage ayant une longue durée de service, apte à résister aux forces ex-' trmement variables qui interviennent dans le forage par percus- sion, et apte à conserver une forme qui s'oppose au coincement, . même après un long usage.
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Ce texte est un perfectionnement au brevet principal ! N 645.377 déposé le 18 mars 1964, sous le titre "Outil à per- cussion pour forages et applications analogues"..
Dans le brevet.principale on a longuement décrit le forage par percussion, les foreuses portatives et les trépans de forage utilisés actuellement. Il faut noter en outre que l'ou- ' til percutant capable d'exercer plusieurs centaines de coups par minute peut être soit inséré juste au-dessus du trépan, soit pla- cé en haut du train de sonde. Un trépan très répandu, employé dans le forage par percussion des trous de mina, est connu sous le nota de "tête croisée" ou 'trépan "Carset". Les éléments de coupe de ce trépan ou taillant ont été étudiés dans le brevet principal.
Le problème de la rupture de l'élément coupant est en relation à la fois avec l'usure et avec la répartition des charges, mais aussi avec les variations de la répartition,des charges provoquées par l'usure. L'aiguisage des éléments cou- pants, nécessaire pour maintenir un taux rentable de pénétra- tion, a été indiqué dans le brevet principal comme coûtant au moins 25 Fr par aiguisage. Pour les besoins de la présente ad- dition, on évaleura à 15 Fr environ le coût d'un aiguisage.
11 faut remarquer qu'avec les éléments insérés ou mises rapportées en carbure de tungstène de la technique anté- rieure, les forces latérales développées par suite de l'usure sont souvent capables de fracturer les lames de carbure. Leur aiguisage ou leur remplacement sont éventuellement nécessaires pour retrouver la vitesse de pénétration perdue et pour éviter la rupture du carbure.
Un des buts de l'invention est de procurer un tré- pan de forage ou taillant perfectionné par rotation-percussion. possédant une structure coupante capable de résister aux forces
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élevées et variables que l'on rencontre dans le forage par rota- %ion-percussion des trous de mine, des puits à eau, des trous de fondation, eto.,. Un autre but important est de' procurer un tré- pan apte à tailler le fond du trou au voisinage de la paroi de telle façon que le matériel qui se trouve dans cette zone et au- dessus, ainsi que la structure coupante s'usent de façon à ne pas prendre une configuration de coincement, c'est-à-dire une surface périphérique' conique vers le bas et vers l'intérieur.
Un autre but est de fournir un trépan qui forera des trous profonds en supportant le poids du trnin de sonde sans rup- ture ni usure prématurées de la structure coupante qui travaille à la jonction de la paroi et du fond du trou. Un autre but encore est de procurer un trépan dans lequel la surface qui se trouve face à la paroi du trou ne s'use pas prématurément, mené si le trépan ou taillant travaille dans une roche meuble ou boulante, ou si cette surface est exposée d'une autre façon à un milieu fortement érosif.
D'autres buts et avantaees de l'invention apparat- tront dans la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, dans les- quels : la Fige 1 est une élévation latérale, et en cou- pe partielle, représentant un mode de réalisation préféré de l'invention, vue en regardant dans la direction des flèches 1-1 de la Fig. 3 :
la Fig. 2 est une vue en perspective de ne mode de réalisatoin préféré, montrant plus clairement certains dé- tails structuraux extérieurs la Fige 3 est une vue par dessous du mode de réa- lisation des Fig. 1 et 2, indiquant la position des élément* insérés résistants à l'usure, et d'autres détails structuraux
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de la partie inférieure du trépan la Fig, 4 est une vue partielle en coupe du fond du trou, les éléments insérés résistant à l'usure de toutes les rangées ayant été amenés par rotation dans le plan du dessin ; :
elle montre les traces des éléments insérés dans le fond du trou, et les zones d'usure de ces éléments dans le mode de réalisation préféré de l'invention ; la Fig. 5 ett une vue en coupe partielle d'un type d'élément inséré, avec le métal du corps qui le. porte ; la Fig. 5a est une vue analogue à celle de la fig.5 mais elle représente un élément inséré monté dans un bossage de support ; la Fig. 6 est une vue en élévation latérale d'un élé- ment inséré du talon, et d'un élément inséré de la rangée voisine amené par rotation dans le plan du dessin. Le métal du corps por- teur est représenté en coupe partielle.
Les contours initiaux et les tracés d'usure des éléments.insérés et du métal du corps sont les uns et les autres représentés ; la Fige 7 est une autre vue en élévation latérale re- présentant un.deuxième mode de réalisation, portant une queue fi- letée à son extrémité supérieure et.présentant une extrémité in- férieur convexe ;
les Fig. 7a à 7e sont des vues en coupe longitudinale partielle représentant des configurations en variante de l'extré- mité inférieure du trépan . là Fig. 8 est une vue en coupe longitudinale partiel- le représentant l'un des démonta insérés du talon du mode de réa- lisation de la Fig 1 une rois monté dans le trépan,, avec une par- tie de l'acier -lui porte cet élément Inséré et délimite la périphé- rie externe soumiseà l'usure contre la paroi du trou au cours du forage ; les traits pleins représentent l'état sans usure, et les
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trois tracés en tirets représentent deux conditions d'usure différen- tes ;
les Fig. 9 et 9a représentent un élément inséré du talon et une configuration du métal de support analogues à ceux de la Fig. 8, mais différant de ceux-ci par l'absence du degré inférieur 6b du mode de réalisation préféré ; la Fige 9a représente également les éléments insérés du talon faisant saillie à l'extérieur de la surface calibrée ; les Fig. 10 et 10a représentent un trépan modifié afin de protéger de l'érosion la surface calibrée ; et la Fig. 11 est un détail de l'arête d'un trépan dans lequel les éléments insérés du talon ne sont pas en retrait sur les rangées intérieures.
On notera que les Fig. 1 à 7 sont semblables aux vues et coupes correspondantes du brevet principal. On a utilisé ici des références numériques identiques, en y ajoutant un petit nombre de numéros qui n'apparaissent pas dans les dessins et la description du brevet principal.
Dans ce brevet, on a décrit un mode de réalisation pré- féré de l'invention similaire à celui que représentent les Fig. 1 à 6 ; on ne décrira ici que les caractéristiques et les détails qui différent de la description et des représentations du brevet princi- pal, et qui sont considérés comme des perfectionnements des caracté- ristiques et détails précédents.
La partie 32 formant le corps du trépan est donc à peu près un cylindre massif, présentant une surface externe calibrée 6 en degrés ou en escalier, dont le diamètre augmente en allant vers le bas, partant d'un diamètre minimal dans la partie conique 24, passant par un diamètre intermédiaire dans la partie cylindrique (ou presque cylindrique) 6a, et atteignant un diamètre maximal dans une partie inférieure 6b (voir aussi fig.8). Cette surface externe
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est de préférence une surface de révolution engendrée par la rotation du contour décrit autour de l'axe longitudinal 12 du trépan, cette surface étant toutefois allégée par les diverses ouvertures qui seront décrites..
La partie supérieure 31 formant la tige du trépan a une extrémité supérieure susceptible de se raccorder au canal pratiqué dans l'outil de percussion, et une extrémité inférieure qui se raccorde aux canaux 16 du corps inférieur 32, ces canaux 16 aboutissant à travers la surface inférieure 3 aux orifices ou sorties 17. Le trépan représenté est du type 17,78cm alors que le brevet principal se rapporte à un trépan de 17,94cm. Il faut noter aussi que les débris de forage remontent en partie à tra- vers les rainures 26 et les rainures 26' (voir Fig.
3) situées en- tre les éléments Insérés du talon 11, puis au-dessus de ces élé- ments entre la paroi du trou et la surface externe à degrés ou surface calibrée 6( présentant les susdites parties 6a et 6b).' Pour les ée ents insérés 11 on utilise de préférence du carbure de tungstène fritté ( parfois appelé carbure de tungstène "cémen- téh), Des diamètres de 6 à 16 mm ont donné toute satisfaction à' l'usage.
A la différence du dispositif du brevet principal, la rangée du talon de la réalisation représentée Fig. 1 à 6 pos- sède dix éléments insérés pour le trépan de 17,78cm représenté.
La rangée circulaire voisine vers l'intérieur n'exige que deux éléments insérés. La disposition de la Fig.4 peut être modifiée pour répondre aux diverses formations du terrain. Les formations compactes exigent parfois un métal de support approprié, comme on le voit par le bossage 2 de la Fig. 5a. De tels bossages per- mettent d'employer des saillies notables au-dessous de la sur- face inférieure 3, et donnent en même temps une structure de sup- port adéquate. Un bossage similaire ou nervure 2' peut être prévu
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pour les éléments insérés du talon 11, comme le montre la Fig.6.
La partie inférieure non coupante (Fig.4) ne doit pas être trop grande, car si elle l'était le terrain ne se frac- turerait pas à travers les cercles ou anneaux 4, et ces anneaux pourraient venir au contact de la surface inférieure et freiner ou arrêter le trépan. Lorsque les éléments insérés sont disposés pour fracturer à travers toute partie non coupante de la surface inférieure, le tracé d'usure des éléments insérés 30 est indiqué par la référence 5 sur la Fig. 4.
En ce qui concerne l'usure des éléments compacts in- dividuels, représentée en 7 sur la Fig. 5, on notera que l'on ad- met généralement dans le forage par percussion que la vitesse de forage est proportionnelle à l'énergie fournie au trépan tant que la force développée est assez grande pour attaquer la roche à forer.
Des expériences en chantier, avec emploi du mode de réalisation préféré décrit ci-dessus avec les outils classiques de percussion, ont montré, d'une façon très inattendue, que la vitesse de pend- tration décroît très peu lorsque l'usure rend plane au lieu de sphérique la forme des éléments insérés.
Alors que les efforts de la technique actuelle pour éviter les configurations produites par l'usure ont été dirigés vers l'augmentation de la résistance à l'usure de la surface ex- terne 6, la présente invention applique l'idée opposée, ainsi qu'on l'a mis en relief dans le brevet principal cette idée consiste à diminuer la résistance à l'usure de cette surface de façon qu'elle s'use au moins aussi vite que les parties des élé- ments insérés de la rangée du talon 11 qui sont au contact de la paroi du trou, De plus, l'idée inventive du présent perfectionne- ment est de diminuer l'aire de cette surface calibrée au courq de la durée d'usage du trépan.
Le genre de service pour lequel on emploie les trépans
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perfectionnés de l'invention ne présente pas, contrairement au fo- rage de puits de pétrole, d'exigences très strictes concernant le calibrage du trou foré, et tous ces trous décroissent très pro- gressivement en diamètre à mesure qu'on s'approche du fond, bien que sur toute section très courte du trou, égale par exemple à la longueur d'un trépan, la conicité soit imperceptible. Le pro- blème consiste à empêcher la surface latérale du trépan de s'user soit trop lentement, de sorte que le trépan se conformerait au profil du trou, ( configuration de coincement), soit trop rapide- ment, ce qui priverait les éléments insérés du talon de leur in- dispensable support.
La tendance au coincement se manifeste dans les formations consistantes telles que le granit, le schiste et le calcaire. L'usure excessive par abrasion se produit dans les roches boulantes ou fracturées,'où le trépan est continuellement enveloppé de débris de forage.
Le forage des remblais et des découvertes des mines à ciel ouvert donne un exemple de ce dernier cas.
La structure idéale pour empêcher la surface calibrée du trépan de s'user lentement en prenant une configuration de coincement, tant pendant une période initiale d'usage que pendant' un emploi prolongé dans un terrain bien consolidé, serait une struc- ture dans laquelle la seule partie du trépan qui toucherait la pa- roi du trou se trouverait à l'intersection précise de la surfa- ce calibrée 6 et de la surface inférieure 3, toutes les parties de la surface 6 situées au-dessus de cette intersection étant en retrait vers l'axe du trépan assez loin pour que la partie du tré- pan qui est au contact des parois du trou ne s'use jamais au ras des autres parties, et n'expose donc Jamais aucune surface cali- brée à entrer en contact avec la paroi.
Cet idéal est naturelle- ment impossible à réaliser, parce qu'il implique'un contact pure- ment linéaire ; on peut seulement s'en approcher, tout en étant
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limité par d'autres considérations.
D'une part, les éléments insérés du talon 11 exigent un métal de support entre leurs bases et la surface externe du trépan, une considération indiquant que cette surface interne ne peut pas avancer radialement vers l'intérieur juste au-dessus de la.pointe saillante de l'élément inséré, mais doit avoir un contour à peu près semblable à celui qui est représenté sur le dessin. Une autre considération est que la partie du trépan qui touche la paroi soit former une surface et non une simple ligne de contact : dans l'invention, cette surface est constituée par les parties des pointes des éléments insérés du talon 11 qui eont initialement tangentes à la paroi du trou et qui en s'usant devien- nent progressivement parallèles.
Il y a lieu également de mentionner qu'il existe une limite au nombre des éléments insérés qui peuvent être prévus dans un trépan d'un diamètre donné, car une répartition circon- férentielle trop dense entraîne des sections métalliques minces qui se brisent en service et font tomber les éléments insérés avant qu'ils soient usés. A titre d'exemple, des éléments insérés de 12,7 mm de diamètre n'étaient espacés que de 19,05 mm entre axes sur un ancien trépan d'essai de 17,78 cm, et ce trépan se rompait par fractures du métal entre les éléments du talon. Ces ruptures furent éliminées lorsque des éléments insérés de 14,29 mm furent espacés de 31,8 jmm entre axes.
D'une façon générale,.l'espacement minimal des éléments rapportés de talon qui permet d'éviter les fractures du métal apparaît être d'environ deux diamètres d'élé- ments ( espacement entre axes).
Le progrès dans la technique du trépan à percussion que l'on peut attendre des trépans de l'invention est le forage de trous avec des avancements et des vitesses de pénétration qui égalent ou dépassent ceux des trépans de la technique actuelle, sans coin-
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cement dans le trou ni nécessité d'aiguiser comme avec les trépana actuels.
Comme on l'a dit plus haut, l'invention utilise pour son outil de coupe une multiplicité d'éléments insérés allongés résis- tants à l'usure, espacés sur un corps métallique 'et fixés dans ce , corps de manière que leurs pointes de coupe émoussées fassent sail- lie hors de la surface inférieure, les éléments insérés intérieurs à la surface périphérique (ou surface calibrée) du corps du trépan ;
étant généralement parallèles à l'axe du trépan, et ceux qui sont' à l'intersection de cette surface avec la surface inférieure étrnt disposés dans des évidements dirigés vers le haut et vers l'inté- rieur en partit!: de ladite intersection et en allant vers l'axe du trépan.-Cette disposition des éléments insérés du talon noie leurs extrémités internes dans une masse de métal et leur garantit un support approprié lorsque les surfaces latérale et intérieure du corps sont usées.
8i les éléments insérés étaient disposés parallèle- ment à l'ia du trépan, leurs bases étant initialement tangentes à la paroi du trou, non seulement ces éléments se détacheraient pré- maturément et tomberaient à l'extérieur après emploi du trépan pen- dant seulement une période initiale d'usure, mais encore l'usure aboutirait à une configuration propre au coincement.( L'usure ini-' tiale se produirait tout entière sur les pointes saillantes des éléments insérés du talon et sur les petites zones de leurs bases cylindriques voisines des pointes et touchant à la fois le fond et la paroi du trou, mais.le reste des bases ne s'userait pas ou ne s'userait que peu, ce qui amènerait le développement d'une confi- guration conique).
Les caractéristiques importantes de l'invention qui empêchent les trépans suivnnt l'invention de prendre progressive- ment une configuration de coincement même après une usure très pro- noncée sont les suivantes :
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a) utilisation d'une combinaison d'un corps en acier relativement tendre et d'éléments insérés relativement résistants, dans laquelle la matière résistante qui vient au contact de la paroi du trou se trouve concentrée à l'intersection des surfaces ca- librée et inférieure du trépan, la matière résistante étant en moindre proportion dans la partie de la surface calibrée située au-dessus de cette intersection ; b) réduction de l'aire de la surface calibrée du corps qui touche la paroi du trou, par des rainures, des fentes et des décrochements appropriés.
Plus spécifiquement, la caractéristique a) consiste à utiliser des éléments insérés du talon 11 disposés suivant un angle tel que leurs pointes fassent srillie à l'inter- section des surfaces calibrée et inférieure 6 et 3, et à éliminer (ou ne pas utiliser) tout élément inséré qui ferait saillie'' hors de la surface calibrée au-dessus de cette intersection.
La caractéristique b) consiste à réduire l'aire de la surface externe 6 par deux paires de canaux de retour de circula- tion 21 et 22 et par les rainures ou fentes 26 et 26', et à donner une configuration appropriée et une hauteur limitée au degré le plus bas ou partie inférieure 6b de la surface calibrée 6, Les rainures 26 sont relativement peu profondes, comme on l'a repré- senté sur le dessin, et disparaissent progressivement à mesure que la surface 6 s'use. De même la partie Inférieure 6b de la surfa- ce calibrée est de préférence conique comme on l'a représentée en utilisant un angle 6 de 3 degrés, mais cette conicité elle aussi disparaît progressivement à mesure que la surface calibrée s'use pour prendre une forme cylindrique analogue à la forme du trou.
Les détails importants qui restent sont : ¯ r, recul radial de la section intermédiaire ou partie cylindrique 6a par rapport au degré inférieur 6b; les dimensions circonférentielles du degré
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inférieur et des canaux de retour de circulation 21 et 22; et Lc' dimension axiale du degré inférieur. La valeur de ¯r est quelque peu arbitraire: on le prend assez grand pour être certain que la surface 6b ne s'usera pas au ras de la surface 6a avant l'usure complète de la surface coupante.
- Il est évident que la longueur axiale Le maximale du degré inférieur 6b pour laquelle un trépan d'un diamètre , donné ne se coincera pas dans le trou variera avec de nombreux facteurs, et c'est pourquoi on ne peut que donner des exemples de cette dimension. Avant de le faire;, il faut mentionner que lorsqu'on taille des terrains bien consolidés, c'est seulement dans des cas isolés que l'on peut constater une usure de la sur- face 6 sur un diamètre inférieur à celui du talon du trépan, cornue on l'a Indiqué par le tracé d'usure 13b de la Fig.6.
Ces cas semblent être produits par l'effet érosif de la circulation remontante, le fluide de forage charriant les débris du terrain, . mais ils sont isolés et n'interviennent pas fréquemment; le seul mécanisme important qui use la surface 6 est le contact de frot- tement avec la paroi du trou lorsque le trépan est mis en rota- tion et actionné vers le bas, ce mécanisme produisant des tracés d'usure cornue les tracés 13 et 13a de la Fig.6. Lorsque le tré- pan s'use, les éléments insérés 11 s'usent suivant la forme in- diquée par la ligne en trait interrompu 14.
Le même trépan de 17,78 cm du mode de réalisation pré- féré décrit ci-dessus était fabriqué avec chacune des paires des canaux 21 ayant une circonférence 'extérieure (ou interruption de la surface 6b) de 25,4 mm. Chacune des paires de canaux avait de même une circonférence extérieure de 7,37 mm. La dimension Le était de 34,9 mm, le char.frein supérieur raccordant 6b et 6a faisant un angle de 30 degrés avec la verticale, tandis que la
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surface chanfreinée 9 faisait un angle de 33 degrés aveo la sur- face 3, de sorte que la dimension initiale de la surface princi- pale presque verticale 6b était seulement de 28,6 mm.
Un tel trépan a été utilisé pour forer des trous de mine de 349 mm à une profondeur moyenne de 15,24 m, pourun mé- trage total de 210 m dans du gneiss, avec un appareil de per- cussion fournissant environ 1000 coups par minute d'environ 65 kilogrammètres chacun,tandis que la rotation était de 25 à 30 tours / minute. La vitesse de pénétration dans le premier trou était de 5,46 mètres à l'heure, et la moyenne pour l'ensem- ble du travail a été de 521 m à l'heure, Le trépan n'a nécessi- té aucun aiguisage et ne s'est jamais coincé dans le trou. A la fin de ce travail le trépan s'était usé à un diamètre de 16,99 cm et les parties restantes des éléments insérés du talon s'étaient brisées. Le coût du forage pour ce trépan a été de 23,55Fr par m.
Dans la même carrière, les trépans à tête croisée de la techni- que antérieure ont foré une moyenne de 158,50 m à 3,72 mètres à l'heure, ont exigé un aiguisage tous les 6,09 mètres, et ont coûté environ 34 Fr 65 par m. (prix de revient total du forage),
Par comparaison, un trépan semblable au trépan décrit, sauf le fait que 'les surfaces 6a et 6b étaient combinées en une surface unique 6 représentée sur la Fig. 9, cette surface étant inclinée de 3 degrés sur l'axe vertical, a été essayé dans la même roche et dans les mêmes conditions. Ce trépan a foré 171 m. à une vitesse moyenne de 5 m,06 à l'heure, puis s'est coincé dans le trou. A ce moment, le diamètre du trépan était de 1?,Il cm et l'un des éléments insérés du talon était brisé.
La vitesse de pénétration réduite résultant de l'augmentation du frottement entre la surface latérale 6 et la paroi du trou, et la réduc- tion du métrage total résultant du coincement ont élevé le coût
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du forage avec ce trépan à 26,25 Fr par mètre, en augmentation.de 10%. Lorsque ce trépan s'est coincé, la longueur de la surface latérale 6 touchant la paroi du trou était d'environ 44,5 mm, ce qui indique que L c doit être un peu inférieur à 44,5 mm si l'on veut empêcher le trépan décrit'de se coincer.
Un troisième trépan essayé dans la même roche et dans les mêmes conditions était identique au trépan décrit, sauf le fait que les surfaces 6a et 6b étaient combinées en une sur- face unique 6' représentée bur la Fig.9a, cette surface étant inclinée de 3 degrés sur l'axe vertical, et ayant un diamètre réduit pour donner un jeu initial minimum "C" de 2,38 mm entre -ladite surface et la paroi du trou. Ce trépan a foré 166,42 m. à une vitesse moyenne de 5 m,24 à l'heure, puis s'est coincé dans le trou. A ce moment, le diamètre du trépan était 17,19 cm et aucun élément inséré du talon n'était brisé.
Le jeu initial " C " créé dans ce trépan lui a permis de conserver une vitesse de pé- nétration comparable à celle de la réalisation préférée, mais n'a pas évité le coincement. Le résultat a été un coût de forage de 25,65 Fr, en augmentation de 9% sur le coût obtenu avec la réali- sation préférée.
Les éléments insérés de la réalisation préférée, confor- mes aux Fig.l à 6 du présent brevet, dépassaient initialement de
7,14 mm la surface inférieure 3 du trépan. Il faut remarquer éga- lement que l'usure des éléments insérés 11 jusqu'à la ligne 7 de la Fig. 5 est apparemment favorisée par le fait que le fluide de forage doit circuler à une vitesse élevée à travers le faible in- tervalle entre le bas du trépan 3 et le fond du trou..
Comme on l'a mentionné plus haut, le mode de réali- sation préféré a été représenté sur les Fig. 1 à 6. D'autres for- mes du bas ou de la surface intérieure sont indiquées dans le trépan 1' des Fige 7 et 7a à 7e, qui montrent également une tige
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en forme de raccord conique fileté ou queue 25. La fig. 7 montre 1& surface inférieure convexe 28 (convexe vers le bas), dans laquel- le les éléments insérés peuvent être disposés de la même manière générale que celle qui a été décrite pour la réalisation préférée, de façon à délimiter une surface inférieure d'attaque 28' de forme semblable, ainsi qu'un fond de trou concave.
Une surface inférieu- re d'attaque qui serait concave vers le bas (non représentée) aurait l'avantage de maintenir le trépan en rotation autour de son axe sur le noyau de terrain ainsi formé.
La surface 29 de la Fig. 7a, étagée vers l'intérieur et vers le haut, remplirait le même rôle, et des surfaces étagées vers l'intérieur et vers le bas comme celles des Fig. 7b à 7e apparaissent également possibles. Toutes ces surfaces doivent de préférence être des surfaces de révol;tion définies par rota- tion autour de l'axe 12 du trépan, et leurs éléments insérés, saut à la surface calibrée et aux autres arêtes, doivent faire normale- ment saillie de la surface à peu près à la même distance. Il est préférable aussi que les éléments insérés à chaque arête saillan- te d'un degré soient disposas avec une inclinaison, comme ceux des éléments du talon et ainsi qu'on l'a représenté, afin d'éviter leur perte prématurée.
Les trépans décrits jusqu'ici sont destinés à être em- ployés dans le forage à travers les formations bien consolidées (consistantes), sans dépôt dans le trou, et avec une circulation , bien établie du fluide de forage, qui descend à travers le trépan jusqu'au fond du trou, où il entraîne les débris créés par le tré- pan et les remonte à la surface par l'espace entre le trépan et la paroi. Les trépans des Fig. 10 et 10a, au contraire, sont des- tinés à être employés dans des circonstances telles que le forage à travers les roches fracturées, ou la présence dans le trou de
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débris de roche qui peuvent entourner continuellement le trépan, celui-ci tournant au milieu de fragments de roche.
Ces conditions favorisent l'abrasion de la surface calibrée 6, et nécessitent l'emploi d'éléments insérés latéraux tels que 27 de la Fig, 10 ou du surfaçage latéral durcissant 36 de la fig. 10a.
Un autre type de forage qui requiert quelque modi- fication des trépans précédemment décrits est le forage de puits plus profonds, les puits à eau par exemple. Alors que les trous de mine typiques sont profonds de 15,20 m, seulement, les puits à eau peuvent atteindre 152 m. Vers la fin de ces forages plus profonds, on emploie sur le trépan des poids considérablement plus élevés, dont un des effets est une tendance à briser les éléments insérés du talon.
Pour empêcher ce résultat, on emploie une des modifications de structure suivantes, eu une combinaison . de celles-ci : a) disposition des éléments insérés du talon plus près de 1' horizontale, leur permettant ainsi de recevoir mieux en ligne avec leurs axes la charge imposée par la résultante des ,. efforts de paroi et des efforts de fond ; bossage ou nervure de support 2' représenté sur la Fig. 6 ; c) disposition sans retrait de la Fig. 11.
En comparant cette dernière figure avec les Fig. 1 et 4, on voit que dans la réalisation de la Fig. 1 les éléments insé- rés 11 du talon sont en retrait par rapport aux rangées intérieu- res d'éléments et sont ainsi soulagés d'une partie de la charge verticale par l'arête rocheuse 37. Sur la Fig. 11, les éléments 11 du talon attaquent la roche dans le même plan que les autres . et doivent exercer une force plus grande dans la direction verti- cale. :Lais la force résultante, combinant ladite force verticale avec la force horizontale exercée par la paroi, est mieux alignée avec l'axe de l'élément inséré, réduisant ainsi la probabilité de rupture des extrémités saillantes.
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On a entièrement décrit dans le brevet principal un exemple de la méthode de fabrication d'un trépan suivant le mode de réalisation préféré dont l'essai a été couronné de succès. Les données et procédés modifiés qui suivent se rapportent à la métho- de perfectionnée de fabrication du trépan de la présente addition.
Après cémentation dans un four, la surface inférieu- re 3 a.été usinée à ses dimensions finales, à savoir un diamètre extérieur de 17,78 cm, une conicité de 3 sur la partie latérale cylindrique 6a, pas de conicité sur la partie inférieure 6b, et percement des logements des éléments insérés. Six canaux 16 ont été percés, les quatre perforations extérieures et les deux perforations intérieures ayant toutes un diamètre de 15,88 mm.
Les canaux de retour de circulation 21,22 et les évidements 34 ont alors été meules avec des restifieuses circulaires. Les rai- nures 26 ont été méfiées au rayon de 44,5 mm jusqu'à une profon- deur de 3,97 mm. Les fentes 26' ont de même été meulées au rayan de 6,35 mm et à la profondeur de 3,18 mm.' Tous les éléments insérés avaient un diamètre de 14,29 mm. On a employé des saillies de 7,14 mm des éléments insérés , et les extrémités plates de ceux des rangées intérieures ont été noyées à 10,32 mm sous la surface
3, tandis que les éléments insérés du talon ont été noyés à 17,46 mm sous la surface chanfreinée 9.
Le procédé suivant lequel les éléments insérés 11 de la rangée du talon sont'insérés de façon à dépasser d'environ
0,8 mm le diamètre extérieur de la surface calibrée extérieure 6 à dégrés, permettra au fluide et aux débris de forage de s'échap- per le long de cette surface, et favorisera l'usure par érosion de la surface latérale 6 ; mais on a constaté par des essais de chantier que cette saillie n'apportait qu'un changement relati- veillent faible si Lc est correstement choisi. Les éléments insé- rés étaient fabriqués de particules de carbure de tungstène de
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grain moyen, frittées avec un liant au cobalt constit.ant 11% en poids de la composition totale ; leur dureté Rockwell"a" était de 89,5.
Certains des avantages de l'invention on,; été énumé- rés au brevet principal. On peut ajouter que la création d'une confi g uration de la partie inférieure qui assure un enlèvement efficace des débris de forages en favorisant La-circulation à vitesse élevée à travers cette partie inférieure ainsi que l'éro- sion du métal du corps du trépan est particulièrement avantageu- se. Bien que le trépan de forage décrit dans la description ait un diamètre de 17,73 mm, l'invention pourrait probablement s'appli- quer avec succès à des diamètres à partir de 38 mm. D'autres di- mensions pourraient demander une redisposition importante des éléments insérés, ainsi que des modifications de l'emplacement et de la dimension des canaux.
L'angle particulier d'inclinaison des éléments insé- rés du talc%--,'employé dans les trépans d'essai décrits plus haut a varié à partir de 33 degrés de la verticale, mais cet angle varie- ra aussi avec le type de terrain foré. (Un angle de 45 a été trou- vé approprié pour forer un puits à eau profond). Des modifications considérables dans le métal du corps et dans le traitement ther- mique peuvent être nécessaires pour la même raison.
Les caractéris- tiques qui rendent le trépan capable de forer sans se coincer con- sistent à concentrer la matière résistante à l'usure à l'intersec- tion des surfaces calibrée et Inférieure, à éviter l'emploi de matière résistante à l'usure sur la surface calibrée au-dessus de, cette intersection en employant des éléments insérés de talon dis- posés avec une certaine inclinaison, et à diminuer la surface ca- librée du corps en acier qui peut venir en contact avec la paroi ' du trou, soit au début, soit après une usure considérable, en em-
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ployant séparément ou ensemble les moyens suivants créer un nom- bre largement prévu de fentes et de rainures sur ladite surface,
et l'évider vers l'intérieur en délimitant une partie inférieure ou degré inférieur de dimension axiale limitée, mais fournissant néanmoins un support convenable pour les éléments Insérés du talon.
Comme cette construction évidée ou en degrés en dépend princi- palement, la longueur axiale du degré inférieur de diamètre ma- slmium 6b doit' être assez grande pour donner un support exté- rieur et un appui postérieur aux éléments insérés, c'est-à-dire qu'elle doit être égale ou légèrement supérieure à la longueur totale d'un de ces éléments insérés, ainsi qu'on le voit dans la réalisation préférée des Fig. 1 à 4 et 8. Il est bien évident que le degré intermédiaire 6a représenté dans la surface calibrée et la surface conique qui raccorde le @@ps du trépan à sa tige peuvent être combinés en une surface unique si on le désire.
Il apparaîtra aussi aux experts que l'on peut créer un trépan à double usage, susceptible d'adaptation et d'utilisa- tion pour le forage dans l'une ou l'autre des conditions fondamen" talement différentes que l'on a décrites : a) forage dans des for- mations de roches consistantes sans éboulement, ni autre condi- tion forçant le trépan à fonctionner entouré de débris ou roches en morceaux, et b) forage dans des terrains-fracturés avec ébou- lement ou autres conditions maintenant le trépan entouré de matiè- re boulante.
A titre d'exemple, le trépan de la Fig. 10 pourrait être fabriqué sans les éléments insérés 27 de la surface calibrée, mais avec les trous susceptibles de recevoir ces éléments déjà percés lorsque le trépan sort de l'usine, le trépan étant par ailleurs façonné avec la surface 6b limitée quant à son aire pour éviter le coincement lors du forage à travers une roche bien conso- lidée. Lorsque l'on rencontre de la roche boulante ou une autre
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condition tendant à user trop rapidement la surface calibrée 6b, les éléments insérés 27 de surface calibrée peuvent être forcés . dans leurs logements à l'emplacement du forage, ce qui constitue une opération de chantier relativement simple.
Ce serait une opé- ration analogue, mais un peu plus compliquée que de surfacer le trépan sur le chantier, en forçant les bandes 36 de matière résistante à l'usure dans des logements préalablement usinés.
Naturellement, l'invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution décrits et représentés, qui n'ont été choisis qu'à titre d'exemples.
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Percussion Tool for drilling and similar applications.
The present invention relates to a new and useful drill bit suitable for use on rotary percussive drilling apparatus. Its essential characteristics are intended to provide a drill bit having a long service life, able to withstand the extremely variable forces involved in percussion drilling, and able to maintain an opposing shape. jamming,. even after long use.
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This text is an improvement to the main patent! N 645.377 filed March 18, 1964, under the title "Impact tool for drilling and similar applications".
In the main patent, percussion drilling, portable drills and drill bits in use today have been described at length. It should be further noted that the impact tool capable of exerting several hundred strokes per minute can be either inserted just above the bit or placed on top of the drill string. A widely used drill bit, used in percussion drilling of mina holes, is known as a "crosshead" or "Carset" bit. The cutting elements of this bit or bit have been studied in the main patent.
The problem of the breaking of the cutting element is related both to the wear and to the distribution of the loads, but also to the variations in the distribution of the loads caused by the wear. The sharpening of the cutting elements, necessary to maintain a profitable rate of penetration, has been shown in the main patent to cost at least Fr 25 per sharpening. For the purposes of the present addition, the cost of sharpening will be estimated at about Fr. 15.
It should be noted that with prior art tungsten carbide inserts or inserts, lateral forces developed as a result of wear are often capable of fracturing the carbide blades. They may need to be sharpened or replaced to regain the lost penetration rate and to prevent the carbide from breaking.
One of the objects of the invention is to provide an improved drill bit or bit by rotation-percussion. having a cutting structure capable of withstanding the forces
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high and variable that is encountered in rotary percussion drilling of blastholes, water wells, foundation holes, eto.,. Another important object is to provide a bit suitable for trimming the bottom of the hole in the vicinity of the wall so that the material in this area and above, as well as the cutting structure, will wear out. so as not to assume a jamming configuration, that is to say a peripheral surface 'tapered downwards and inwards.
Another object is to provide a bit which will drill deep holes supporting the weight of the probe tip without premature breakage or wear of the cutting structure which works at the junction of the wall and the bottom of the hole. Still another object is to provide a bit in which the surface which faces the wall of the hole does not wear prematurely, carried out if the bit or bit is working in loose or round rock, or if this surface is exposed to heavy. 'another way to a strongly erosive environment.
Other objects and advantages of the invention will become apparent from the description which follows, given solely by way of example with reference to the accompanying drawings, in which: Fig. 1 is a side elevation, and in cross section. partial pe, showing a preferred embodiment of the invention, seen looking in the direction of arrows 1-1 of FIG. 3:
Fig. 2 is a perspective view of a preferred embodiment, showing more clearly certain exterior structural details. Fig. 3 is a bottom view of the embodiment of Figs. 1 and 2, indicating the position of the inserted wear resistant elements *, and other structural details
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of the lower part of the bit Fig, 4 is a partial sectional view of the bottom of the hole, the wear resistant inserts of all the rows having been brought by rotation in the plane of the drawing; :
it shows the traces of the elements inserted in the bottom of the hole, and the areas of wear of these elements in the preferred embodiment of the invention; Fig. 5 and a partial sectional view of one type of inserted element, with the metal of the body which it. door ; Fig. 5a is a view similar to that of fig.5 but it shows an inserted element mounted in a support boss; Fig. 6 is a side elevational view of an insert of the heel, and of an insert of the neighboring row rotated in the plane of the drawing. The metal of the carrier body is shown in partial section.
The initial contours and the traces of wear of the elements.inserted and of the metal of the body are both represented; Fig. 7 is another side elevational view showing a second embodiment, bearing a threaded shank at its upper end and having a convex lower end;
Figs. 7a through 7e are partial longitudinal sectional views showing alternate configurations of the lower end of the bit. there Fig. 8 is a partial longitudinal sectional view- showing one of the inserts of the heel of the embodiment of Fig. 1, a kings mounted in the drill bit, with part of the steel which carries this Inserted element and delimits the outer periphery subjected to wear against the wall of the hole during drilling; the solid lines represent the condition without wear, and the
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three dashed lines represent two different wear conditions;
Figs. 9 and 9a show an insert of the heel and a configuration of the support metal similar to those of FIG. 8, but differing from these in the absence of the lower degree 6b of the preferred embodiment; Fig. 9a also represents the elements inserted from the heel projecting outside the calibrated surface; Figs. 10 and 10a represent a modified bit in order to protect the calibrated surface from erosion; and Fig. 11 is a detail of the edge of a bit in which the inserted heel elements are not recessed on the inner rows.
It will be noted that Figs. 1 to 7 are similar to the corresponding views and sections of the main patent. Identical reference numerals have been used herein, with the addition of a small number of numerals which do not appear in the drawings and description of the main patent.
In this patent, a preferred embodiment of the invention similar to that shown in Figs has been described. 1 to 6; only those features and details which differ from the description and representations of the main patent, and which are considered to be improvements to the foregoing features and details, will be described herein.
The part 32 forming the body of the bit is therefore roughly a solid cylinder, having an external surface calibrated 6 in degrees or in steps, the diameter of which increases going downwards, starting from a minimum diameter in the conical part 24 , passing through an intermediate diameter in the cylindrical (or almost cylindrical) part 6a, and reaching a maximum diameter in a lower part 6b (see also fig. 8). This outer surface
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is preferably a surface of revolution generated by the rotation of the contour described around the longitudinal axis 12 of the bit, this surface being however lightened by the various openings which will be described.
The upper part 31 forming the shank of the bit has an upper end capable of being connected to the channel formed in the percussion tool, and a lower end which connects to the channels 16 of the lower body 32, these channels 16 terminating through the surface lower 3 to the orifices or outlets 17. The bit shown is of the 17.78cm type while the main patent relates to a 17.94cm bit. It should also be noted that the drill cuttings partly rise through the grooves 26 and the grooves 26 '(see Fig.
3) located between the Insert elements of the heel 11, then above these elements between the wall of the hole and the external stepped surface or calibrated surface 6 (having the aforesaid parts 6a and 6b). Preferably, sintered tungsten carbide (sometimes referred to as "cemented tungsten carbide)" is used for the inserts 11. Diameters of 6 to 16 mm have been satisfactory in use.
Unlike the device of the main patent, the heel row of the embodiment shown in FIG. 1 to 6 has ten inserts for the 17.78cm trephine shown.
The neighboring circular row inward requires only two inserted elements. The layout of Fig. 4 can be modified to suit the various formations of the terrain. Compact formations sometimes require a suitable support metal, as seen by boss 2 in FIG. 5a. Such bosses make it possible to employ significant protrusions below the lower surface 3, and at the same time give an adequate support structure. A similar boss or 2 'rib can be provided
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for the inserted elements of the heel 11, as shown in Fig. 6.
The lower non-cutting part (Fig. 4) must not be too large, because if it were the ground would not fracture through the circles or rings 4, and these rings could come into contact with the lower surface. and braking or stopping the bit. When the inserts are arranged to fracture through any blunt portion of the undersurface, the wear pattern of the inserts 30 is indicated by the numeral 5 in FIG. 4.
As regards the wear of the individual compact elements, shown at 7 in FIG. 5, it will be appreciated that it is generally accepted in percussion drilling that the speed of drilling is proportional to the energy supplied to the bit as long as the force developed is great enough to attack the rock to be drilled.
Field experiments, with the use of the preferred embodiment described above with conventional percussion tools, have shown, very unexpectedly, that the pendulum speed decreases very little when wear makes flat at the surface. instead of spherical the shape of the inserted elements.
While the efforts of the current art to avoid the configurations produced by wear have been directed to increasing the wear resistance of the outer surface 6, the present invention applies the opposite idea, as well as 'it was pointed out in the main patent this idea consists in reducing the wear resistance of this surface so that it wears out at least as quickly as the parts of the elements inserted in the row of the heel 11 which are in contact with the wall of the hole. In addition, the inventive idea of the present improvement is to reduce the area of this calibrated surface over the life of the drill bit.
The kind of service for which the bits are used
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This invention does not, unlike oil well drilling, have very stringent requirements regarding the sizing of the drilled hole, and all of these holes decrease in diameter very gradually as one approaches. bottom, although on any very short section of the hole, equal for example to the length of a bit, the taper is imperceptible. The problem is to prevent the side surface of the bit from wearing out either too slowly, so that the bit conforms to the profile of the hole, (jam configuration), or too quickly, which would starve the inserted parts. the heel of their indispensable support.
The tendency to jam is manifested in consistent formations such as granite, shale and limestone. Excessive abrasion wear occurs in bouncy or fractured rock, where the bit is continually enveloped in drill cuttings.
The drilling of embankments and the discovery of surface mines provides an example of the latter case.
The ideal structure to prevent the calibrated surface of the bit from slowly wearing out by assuming a wedging configuration, both during an initial period of use and during prolonged use in well-consolidated ground, would be a structure in which the only part of the bit which would touch the wall of the hole would be at the precise intersection of the calibrated surface 6 and the lower surface 3, all the parts of the surface 6 located above this intersection being indented towards the axis of the bit far enough so that the part of the bit which is in contact with the walls of the hole never wears out flush with the other parts, and therefore never exposes any calibrated surface to come into contact with the wall.
This ideal is naturally impossible to realize, because it involves a purely linear contact; we can only approach it, while being
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limited by other considerations.
On the one hand, the inserts of the heel 11 require a support metal between their bases and the outer surface of the bit, a consideration indicating that this inner surface cannot advance radially inward just above the point. protruding part of the inserted element, but should have an outline roughly similar to that shown in the drawing. Another consideration is that the part of the bit which touches the wall must form a surface and not a simple line of contact: in the invention, this surface is formed by the parts of the tips of the elements inserted in the heel 11 which are initially tangent to the wall of the hole and which, with wear and tear, become progressively parallel.
It should also be mentioned that there is a limit to the number of inserts that can be provided in a bit of a given diameter, as too dense a circumferential distribution results in thin metal sections which break in service and drop inserted items before they are worn out. For example, inserts 12.7mm in diameter were only spaced 19.05mm center-to-center on an old 17.78cm trial bit, and this bit broke from metal fractures. between the heel elements. These breaks were eliminated when 14.29mm inserts were spaced 31.8mm centerline.
In general, the minimum heel insert spacing which avoids metal fractures appears to be about two member diameters (centerline spacing).
The advancement in percussion bit technique that can be expected from the drill bits of the invention is the drilling of holes with advancements and penetration rates which equal or exceed those of the bits of the present technique, without wedge.
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cement in the hole or need to sharpen as with the current trepan.
As stated above, the invention utilizes for its cutting tool a multiplicity of wear resistant elongate inserts spaced on a metal body and secured therein such that their tips of blunt cuts protrude out of the lower surface, the inserts inside the peripheral surface (or calibrated surface) of the bit body;
being generally parallel to the axis of the bit, and those which are at the intersection of this surface with the lower surface are arranged in recesses directed upwards and inwardly from said intersection and going towards the axis of the trephine.-This arrangement of the inserted elements of the heel embeds their internal ends in a mass of metal and guarantees them a suitable support when the lateral and internal surfaces of the body are worn.
8If the inserted elements were arranged parallel to the ia of the bit, their bases initially being tangent to the wall of the hole, not only would these elements come off prematurely and fall out after use of the bit during only an initial period of wear, but further wear would result in a configuration peculiar to jamming. (The initial wear would occur entirely on the protruding tips of the heel inserts and on the small areas of their cylindrical bases adjacent to the points and touching both the bottom and the wall of the hole, but the rest of the bases would not wear or wear little, which would lead to the development of a conical configuration).
The important features of the invention which prevent the bits of the invention from gradually assuming a jamming configuration even after severe wear are as follows:
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a) use of a combination of a relatively soft steel body and relatively strong inserts, in which the strong material which comes into contact with the wall of the hole is concentrated at the intersection of the calibrated surfaces and lower part of the bit, the resistant material being in lesser proportion in the part of the calibrated surface situated above this intersection; b) reduction of the area of the calibrated surface of the body which touches the wall of the hole, by suitable grooves, slots and setbacks.
More specifically, feature a) consists in using elements inserted from the heel 11 arranged at an angle such that their tips protrude at the intersection of the calibrated and lower surfaces 6 and 3, and to eliminate (or not to use) any inserted element that would protrude '' out of the calibrated surface above that intersection.
Feature b) consists in reducing the area of the outer surface 6 by two pairs of return circulation channels 21 and 22 and by the grooves or slots 26 and 26 ', and to give an appropriate configuration and a limited height At the lowest degree or lower portion 6b of the gauge surface 6, the grooves 26 are relatively shallow, as shown in the drawing, and gradually disappear as the surface 6 wears away. Likewise the lower part 6b of the calibrated surface is preferably conical as has been shown using an angle 6 of 3 degrees, but this taper also gradually disappears as the calibrated surface wears down to take a cylindrical shape similar to the shape of the hole.
The important details which remain are: ¯ r, radial recession of the intermediate section or cylindrical part 6a compared to the lower degree 6b; the circumferential dimensions of the degree
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lower and return circulation channels 21 and 22; and Lc the axial dimension of the lower degree. The value of ¯r is somewhat arbitrary: it is taken large enough to be certain that the surface 6b will not wear out flush with the surface 6a before the cutting surface has completely worn out.
- It is obvious that the maximum axial length Le of the lower degree 6b for which a bit of a given diameter will not get stuck in the hole will vary with many factors, and therefore we can only give examples of this dimension. Before doing so ;, it should be mentioned that when pruning well consolidated soils, it is only in isolated cases that one can notice a wear of the surface 6 on a diameter smaller than that of the heel of the drill bit, retort as indicated by the wear pattern 13b in Fig. 6.
These cases seem to be produced by the erosive effect of the upstream circulation, the drilling fluid carrying the debris from the ground,. but they are isolated and do not intervene frequently; the only significant mechanism which wears down surface 6 is the frictional contact with the hole wall when the bit is rotated and actuated downward, this mechanism producing wear patterns retorting patterns 13 and 13a of Fig. 6. When the bit wears out, the inserted elements 11 wear out in the shape indicated by the dotted line 14.
The same 17.78 cm bit of the preferred embodiment described above was made with each of the pairs of channels 21 having an outer circumference (or surface interruption 6b) of 25.4 mm. Each of the channel pairs likewise had an outer circumference of 7.37 mm. The dimension Le was 34.9 mm, the upper brake frame connecting 6b and 6a making an angle of 30 degrees with the vertical, while the
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Chamfered surface 9 was at an angle of 33 degrees to surface 3, so that the initial dimension of the nearly vertical main surface 6b was only 28.6 mm.
Such a drill bit was used to drill 349mm blastholes to an average depth of 15.24m, for a total count of 210m in gneiss, with a percussion device delivering about 1000 blows per minute. of about 65 kilogrammeters each, while the rotation was 25 to 30 rpm. The speed of penetration into the first hole was 5.46 meters per hour, and the average for the whole job was 521 m per hour. The bit required no sharpening and never got stuck in the hole. At the end of this work the bit had worn to a diameter of 16.99 cm and the remaining parts of the heel inserts had broken off. The cost of drilling for this bit was 23.55Fr per m.
In the same quarry, prior art cross-head bits drilled an average of 158.50 m at 3.72 meters per hour, required sharpening every 6.09 meters, and cost about 34 Fr 65 per m. (total cost of drilling),
By comparison, a bit similar to the bit described, except that the surfaces 6a and 6b were combined into a single surface 6 shown in FIG. 9, this surface being inclined by 3 degrees on the vertical axis, was tested in the same rock and under the same conditions. This drill bit drilled 171 m. at an average speed of 5.06 an hour and then got stuck in the hole. At this time, the diameter of the trephine was 1?, 11 cm and one of the inserts of the heel was broken.
The reduced penetration rate resulting from the increased friction between the side surface 6 and the wall of the hole, and the reduction in the total yardage resulting from the jamming have increased the cost.
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of drilling with this bit at 26.25 Fr per meter, an increase of 10%. When this bit got stuck, the length of the side surface 6 touching the wall of the hole was about 44.5mm, indicating that L c must be a little less than 44.5mm if we want prevent the bit described from jamming.
A third bit tested in the same rock and under the same conditions was identical to the bit described, except that the surfaces 6a and 6b were combined into a single surface 6 'shown in Fig. 9a, this surface being inclined by 3 degrees on the vertical axis, and having a reduced diameter to give a minimum initial clearance "C" of 2.38 mm between said surface and the wall of the hole. This drill bit drilled 166.42 m. at an average speed of 5m, 24 per hour, then got stuck in the hole. At this time, the trephine diameter was 17.19 cm and no insert of the heel was broken.
The initial clearance "C" created in this bit allowed it to maintain a penetration rate comparable to that of the preferred embodiment, but did not prevent jamming. The result was a drilling cost of 25.65 Fr, a 9% increase over the cost obtained with the preferred embodiment.
The inserts of the preferred embodiment, according to Figures 1 to 6 of the present patent, initially protruded by
7.14 mm the lower surface 3 of the bit. It should also be noted that the wear of the inserted elements 11 up to line 7 of FIG. 5 is apparently favored by the fact that the drilling fluid must flow at a high velocity through the small gap between the bottom of the bit 3 and the bottom of the hole.
As mentioned above, the preferred embodiment has been shown in Figs. 1 to 6. Other shapes of the bottom or inner surface are shown in the bit 1 'of Figs 7 and 7a to 7e, which also show a shank.
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in the form of a threaded conical fitting or tail 25. FIG. 7 shows 1 & convex lower surface 28 (convex downwards), in which the inserted elements can be arranged in the same general manner as that which has been described for the preferred embodiment, so as to define a lower leading surface. 28 'of similar shape, as well as a concave bottom hole.
A lower leading surface which is concave downwards (not shown) would have the advantage of keeping the bit rotating about its axis on the ground core thus formed.
The surface 29 of FIG. 7a, stepped inwards and upwards, would fulfill the same role, and surfaces stepped inwards and downwards like those of FIGS. 7b to 7e also appear possible. All these surfaces should preferably be surfaces of revolution defined by rotation about the axis 12 of the bit, and their inserted elements, jumping to the calibrated surface and to the other edges, should protrude normally from the surface at about the same distance. It is also preferable that the elements inserted at each protruding ridge of one degree be disposed with an inclination, like those of the heel elements and as shown, in order to avoid their premature loss.
The bits described so far are intended for use in drilling through well-consolidated (consistent) formations, without deposit in the hole, and with a well-established flow of drilling fluid down through the bit. to the bottom of the hole, where it carries the debris created by the bit and rises to the surface through the space between the bit and the wall. The bits of Figs. 10 and 10a, on the contrary, are intended to be employed in circumstances such as drilling through fractured rock, or being in the borehole.
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rock debris that can continually surround the bit, the bit rotating in the middle of rock fragments.
These conditions promote abrasion of the calibrated surface 6, and necessitate the use of side inserts such as 27 of FIG. 10 or the hardening side surfacing 36 of FIG. 10a.
Another type of drilling which requires some modification of the bits previously described is the drilling of deeper wells, for example water wells. While typical blastholes are 15.20 m deep, only water wells can reach 152 m. Towards the end of these deeper holes, considerably heavier weights are used on the bit, one effect of which is a tendency to break the inserted heel elements.
To prevent this result, one of the following structural modifications is employed, in a combination. of these: a) arrangement of the elements inserted in the heel closer to the horizontal, thus allowing them to receive better in line with their axes the load imposed by the resultant of,. wall forces and bottom forces; boss or support rib 2 'shown in FIG. 6; c) arrangement without removal of FIG. 11.
By comparing this latter figure with Figs. 1 and 4, it can be seen that in the embodiment of FIG. 1 the inserted elements 11 of the heel are set back relative to the inner rows of elements and are thus relieved of a part of the vertical load by the rocky ridge 37. In FIG. 11, the elements 11 of the heel attack the rock in the same plane as the others. and must exert a greater force in the vertical direction. : Let the resulting force, combining said vertical force with the horizontal force exerted by the wall, is better aligned with the axis of the inserted element, thus reducing the probability of rupture of the protruding ends.
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An example of the method of manufacturing a bit according to the preferred embodiment which has been successfully tested has been fully described in the main patent. The following modified data and methods relate to the improved method of making the bit of the present addition.
After case hardening in a furnace, the lower surface 3 has been machined to its final dimensions, namely an outer diameter of 17.78 cm, a taper of 3 on the cylindrical side part 6a, no taper on the lower part 6b, and drilling of the housings of the inserted elements. Six channels 16 were drilled, the four outer perforations and the two inner perforations all having a diameter of 15.88 mm.
The circulation return channels 21, 22 and the recesses 34 were then milled with circular restifers. The grooves 26 were wary at the radius of 44.5 mm to a depth of 3.97 mm. The slots 26 'were likewise ground to a 6.35 mm radius and to a depth of 3.18 mm. All the elements inserted had a diameter of 14.29 mm. 7.14mm protrusions were used from the inserts, and the flat ends of those in the inner rows were embedded 10.32mm below the surface.
3, while the heel inserts were embedded 17.46mm below the chamfered surface 9.
The method by which the inserts 11 of the heel row are inserted so that they protrude by about
0.8 mm the outside diameter of the outside calibrated surface 6 at degrees, will allow the fluid and the drill cuttings to escape along this surface, and will promote the erosion wear of the side surface 6; but it has been observed by field tests that this protrusion brings only a relatively small change if Lc is correctly chosen. The inserts were made from tungsten carbide particles of
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medium grain, sintered with a cobalt binder constit.ant 11% by weight of the total composition; their Rockwell hardness "a" was 89.5.
Some of the advantages of the invention include; been listed in the main patent. We can add that the creation of a confi g uration of the lower part which ensures an efficient removal of the debris of the wells by promoting the circulation at high speed through this lower part as well as the erosion of the metal of the body of the drill. Trephine is particularly advantageous. Although the drill bit described in the specification has a diameter of 17.73 mm, the invention could probably be applied successfully to diameters from 38 mm. Other dimensions may require a significant rearrangement of the inserted elements, as well as changes in the location and size of the channels.
The particular angle of inclination of the talc% -, inserts employed in the test bits described above has varied from 33 degrees from the vertical, but this angle will also vary with the type. of drilled land. (An angle of 45 was found suitable for drilling a deep water well). Considerable modifications in the body metal and in the heat treatment may be necessary for the same reason.
The characteristics which make the bit capable of drilling without jamming are to concentrate the wear resistant material at the intersection of the calibrated and lower surfaces, to avoid the use of wear resistant material. on the calibrated surface above, this intersection by employing heel inserts arranged with a certain inclination, and to decrease the cal- liberated surface of the steel body which can come into contact with the wall of the hole, either at the beginning or after considerable wear,
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separately or together bending the following means to create a widely expected number of slots and grooves on said surface,
and recess inwardly defining a lower or lower portion of limited axial dimension, but nevertheless providing adequate support for the inserts of the heel.
As this hollow or step construction depends mainly on it, the axial length of the lower degree of diameter ma- slmium 6b should be large enough to give external support and posterior support to the inserted elements, that is to say say that it must be equal to or slightly greater than the total length of one of these inserted elements, as can be seen in the preferred embodiment of Figs. 1 to 4 and 8. It is obvious that the intermediate degree 6a shown in the calibrated surface and the tapered surface which connects the bit bit to its shank can be combined into a single surface if desired.
It will also appear to experts that it is possible to create a dual-use bit, capable of adaptation and use for drilling under one or other of the fundamentally different conditions that have been described. : a) drilling in consistent rock formations without landslide, or other conditions forcing the bit to operate surrounded by debris or lumpy rock, and b) drilling in fractured ground with landslide or other conditions maintaining the trephine surrounded by bouncy material.
By way of example, the bit of FIG. 10 could be manufactured without the inserts 27 of the calibrated surface, but with the holes capable of receiving these elements already drilled when the bit leaves the factory, the bit being otherwise shaped with the surface 6b limited as to its area for avoid jamming when drilling through solid rock. When we meet some rock or some other
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condition tending to wear too quickly the calibrated surface 6b, the inserted elements 27 of calibrated surface can be forced. in their housing at the location of the borehole, which is a relatively simple site operation.
This would be a similar operation, but a little more complicated than surfacing the bit on the job site, by forcing the bands 36 of wear-resistant material into previously machined housings.
Of course, the invention is in no way limited to the embodiments described and shown, which have been chosen only as examples.