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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.