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Description jointe à une demande de
BREVET BELGE déposée par : DIAMANT BOART Société Anonyme ayant pour objet : Procédé et assemblage d'outils pour le creusement de puits
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L'invention concerne un procédé et un assemblage d'outils permettant le creusement de puits dans des conditions géologiques variées en mettant en oeuvre un appareillage équipé d'au moins un outil de forage disposé en satellite et entraîné en rotation par un moteur ou turbine éventuellement suspendu à un train de tiges qui, par rotation éventuellement imprimée à partir de la surface, entratne l'ensemble de lhppareillage à balayer, dans un mouvement du type planétaire,
le front de taille du puits ainsi que les parois du puits suivant une circonférence dans laquelle s'inscrit l'en- veloppe des trajectoires de chacune des arêtes de coupe desdits outils de forage.
Elle trouve sa principale application dans le creusage des puits ou des galeries d'un diamètre compris entre environ 300 et 5000 millimètres.
On connaît par un article de J. BRYCH, intitulé "Le turboforage à grand diamètre" et publié dans les Annales des Mines en janvier 1970, un procédé de forage permettant de creuser des puits de mines de grand diamètre en une seule passe, sans soutènement provisoire, dans des terrains de nature très variée.
Ce procédé connu de turboforage à grand diamètre utilise un appareillage classique, des chantiers de forage de puits pétroliers et en particulier un derrick, un bassin de décantation, un équipage ou agrégat de forage monté à l'extrémité d'un train de tiges et comprenant plusieurs trépans. Ces trépans sont disposés
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en satellite autour de l'axe du train de tiges et actionnés en rotation par des turbines à boue alimentées en parallèle. La grande latitude du choix des trépans suivant la nature des roches à traverser donne la possibilité de forer dans toutes les conditions géologiques.
Ce procédé connu de turboforage grand diamètre utilise de préférence des trépans à molettes, Ces trépans sont formés par des outils à une ou plusieurs molettes pourvues de dents destinés à faire éclater la roche et montés par l'intermédiaire de roulement sur le corps des outils.
Des essais comparatifs réalisés avec des trépans à molettes, ont démontré que ceux-ci ont, lorsqu'ils sont utilisés en turboforage grand diamètre, ue durée de viepïus faible que lorsqu'ils sont utilisés en forage classique.
La diminution de vie provient de l'usure des roulements provoquée par une vitesse de rotation élevée.
La présente invention propose un assemblage d'outils qui possède une durée de vie supérieure à celle des outils connus tout en assurant une vitesse de creusement optimale. Elle est relative à un procédé permettant la réalisation de puits dans des conditions géologiques variées et mettant en oeuvre un appareillage équipé d'au moins un outil de forage disposé en satel-
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lite et entraîné en rotation par un moteur ou turbine éventuellement suspendu à un train de tiges qui, par rotation lente imprimée éventuellement à partir de la surface, entraîne l'ensemble de l'appareillage à balayer, dans un mouvement du type planétaire, le front de taille du puits ainsi que les parois du puits suivant une circonférence dans laquelle s'inscrit l'enveloppe des
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trajectoires de chacune des arêtes de coupe desdits outils de forage,
essentiellement caractérisé en ce qu'on incline l'axe de rotation de chacun des outils susdits par rapport à un plan longitudinal qui passe par le centre de rotation de l'outil et par l'axe longitu- dinal du puits.
Suivant une particularité de l'invention, on incline l'axe de rotation de chacun des outils susdits par rapport au plan longitudinal précité, dans le sens de rotation de l'ensemble de l'agrégat, de manière que l'inclinaison de l'outil soit supérieure à celle de la surface du front de taille du puits.
Chacun des outils de forage est constitué avan- tageusement d'un organe coupant du type fraiseà surfacerqui assure la désagrégation de la roche pour la progression du puits, essentiellement par fraisage latéral.
L'invention concerne également un appareillage de forage destiné au procédé décrit ci-dessus, cet assemblage étant essentiellement caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins une fraise du type fraise à surfacer dont les arêtes de coupe sont disposées à la périphérie d'au moins une surface limitée.
Les arêtes de coupe sont avantageusement garnies d'une concrétion diamantée.
Dans une forme de réalisation particulière, la fraise susdite est une fraise à gradins dont les arêtes de coupe sont disposées à la périphérie de plusieurs surfaces annulaires de diamètre décroissant de haut en bas.
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D'autres particularités et détails de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée suivante faisant référence aux dessins ci-annexés qui illustrent le procédé et deux formes de réalisation particulières des outils de forage suivant l'invention.
Dans ces dessins : - les figures 1 et 2 sont des vues schématiques d'une coupe longitudinale d'un puits de forage à grand diamètre en cours d'exécution et d'un agrégatd'outils de forage ; - les figures 3, 4 et 5 sont des vues en plan, en bout et en élévation latérale d'un agrégat ou assemblage de deux outils dont les axes gauches sont inclinés par rapport au plan longitudinal qui passe par le centre de rotation de l'outil et l'axe longitudinal du puits,
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dans 1-S-" A dans le sens de rotation de l'ensemble ;- la figure 6 illustre le fraisage direct par rotation de l'agrégat en sens inverse à celui de la figure 5 ;
- les figures 7 et 8 précisent la disposition et le sens de rotation des outils lorsque l'axe de rotation de chacun de ceux-ci est incliné par rapport au plan longitudinal susdit, dans le sens opposé au sens de rotation de l'ensemble de l'agrégat.
Dans ces figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
Pour mettre en oeuvre le procédé de turboforage à grand diamètre on peut utiliser, comme illustré à la figure 1, un appareillage classique de chantier de sondage tel qu'employé dans le forage pétrolier, à savoir un derrick 1, un bassin de décantation 2, une table de rotation 3, un train de tiges 4, des masses-tiges 5 et un équipage de forage ou agrégat 6.
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L'équipage de forage 6 est constitué d'au moins un moteur suspendu au train de tiges et d'un outil de forage disposé en satellite par rapport au train de tiges 4 susdit.
Par rotation lente imprimée à partir de la surface à l'aide d'une table de rotation 3, le train de tiges 4 entratne l'ensemble de l'agrégat 6 à balayer le fond 7 et les parois 8 du puits.
L'assemblage d'outils de forage 6 illustré à la figure 2 est constitué de deux outils 9 disposés symétriquement en satellite par rapport à l'axe longi- tudinal L, L' du puits et actionnés par deux moteurs de fond 10.
Dans une forme de réalisation particulière, chacune des outils 9 est formé d'un plateau circu- laire 11, présentant une surface cylindrique limitée
12 munie d'un filetage 13. Le long du bord inférieur sont régulièrement disposés des segments munis de coins taillants 14 et/ou arêtes de coupe, braisées, infiltrées ou avantageusement constituées de plaquettes in- dexables 15. Avec un tel outil 9, l'attaque du terrain pour creuser un puits à grand diamètre, se fait de façon très différente des trépans connus à trois molettes dentées.
Alors que ces derniers travaillent surtout par poinçonnement, par enfoncement des dents dans l'épaule- ment de roche et raclage de la paroi latérale et du fond du puits sous l'effet de la rotation des molettes, les éléments de coupe de chacune des outils 9 agissent essentiellement par cisaillement. Chacune des dents 13 de l'outil 9 effectue un mouvement de coupe intermittent selon une trajectoire circulaire. L'outil 9 constitue en fait une fraise.
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La charge sur la denture de cette fraise est déterminée par la relation existant entre la valeur d'avance, la vitesse de rotation et le nombre de dents.
Suivant une particularité de l'invention, on incline l'axe de rotation de chacun des outils 9 par rapport au plan longitudinal passant par le centre de l'outil et par l'axe longitudinal du puits, de manière que l'inclinaison de l'outil soit supérieure à celle de la surface du front de taille du puits. Les axes des outils forment ainsi des droites gauches situées dans des plans verticaux parallèles ou inclinés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal.
L'inclinaison des axes des outils par rapport à la verticale est relativement faible, mais elle permet de remédier au talonnage de la face inférieure de l'outil le long du plan sensiblement hélicoïdal du fond du puits et évite ainsi une usure prématurée de celui-ci.
Ce sens de rotation de chacune des fraises peut être choisi dans le même sens X que le sens Y de rotation du type planétaire de l'agrégat de manière à obtenir le long des parois du puits un fraisage normal ou direct (figure 5) ou être choisi dans le sens contraire à condition de modifier le sens de l'inclinaison des outils de forage (figure 6).
Dans un mode de mise en oeuvre différent du procédé suivant l'invention, on incline l'axe de rotation de chacun des outils susdits par rapport au plan longitudinal précité, dans le sens opposé au sens de rotation de l'ensemble, de manière à donner o l'outil une inclinaison de sens contraire à celle de la surface du front de taille du puits.
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De cette manière, l'attaque de la roche ne s'effectue qu'avec l'aile de la partie arrière de l'outil.
Le sens de rotation de chacun des outils peut être choisi dans le même sens X que le sens Y de rotation du type planétaire de l'ensemble de l'agrégat (figure 7) ou dans le sens contraire (figure 8).
Le procédé suivant l'invention offre, par rapport au procédé de turboforage connu, les avantages suivants : - meilleur rendement, c'est-à-dire consommation moindre d'énergie de puissance pour une vitesse d'avancement déterminée ; - diminution du nombre d'interruptions puisque la fraise est un outil robuste moins sujet à la rupture d'outil et à l'enrayage mécanique que les trépans à molettes dentées ; - plus longue durée de vie des outils ; - verticalité requise du puits avec une section circulaire commune ; - parois lisses ; - descente sans entraves d'un tubage lourd ; - utilisation optimale de la puissance disponible par choix du nombre de dents et de paliers ; - évacuation rapide des copeaux de roches.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus et que de nombreuses modifications peuvent être apportées à cette dernière sans pour autant la soustraire du cadre de l'invention.
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Ainsi, l'outil en question peut être une fraise simple ou une fraise à gradins, présentant plusieurs rangées circulaire de segments disposées en étages successifs de diamètres croissant de bas en haut.
L'appareillage mis en oeuvre peut être différent du derrick illustré à la figure 1 et être constitué par exemple d'un ponton actionné hydrauliquement.
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Description attached to a request for
BELGIAN PATENT filed by: DIAMANT BOART Société Anonyme with the object: Process and assembly of tools for digging wells
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The invention relates to a method and an assembly of tools allowing the digging of wells under various geological conditions by using an apparatus equipped with at least one drilling tool arranged in satellite and driven in rotation by a motor or turbine optionally. suspended from a string of rods which, by rotation possibly printed from the surface, drives the whole of the apparatus to be swept, in a planetary type movement,
the cutting face of the well as well as the walls of the well along a circumference in which the envelope of the trajectories of each of the cutting edges of said drilling tools is inscribed.
It finds its main application in the digging of wells or galleries with a diameter between about 300 and 5000 millimeters.
We know from an article by J. BRYCH, entitled "Large diameter turboforging" and published in the Annales des Mines in January 1970, a drilling process making it possible to dig large diameter mine shafts in a single pass, without support temporary, in very varied terrain.
This known large-diameter turboforching process uses conventional equipment, oil well drilling sites and in particular a derrick, a settling tank, a crew or drilling unit mounted at the end of a drill string and comprising several drill bits. These drill bits are arranged
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in satellite around the axis of the drill string and actuated in rotation by mud turbines fed in parallel. The wide latitude of the choice of drill bits according to the nature of the rocks to be crossed gives the possibility of drilling in all geological conditions.
This known large-diameter turboforching process preferably uses knurled bits. These drill bits are formed by tools with one or more knurled wheels provided with teeth intended to burst the rock and mounted by means of bearings on the body of the tools.
Comparative tests carried out with rotary drill bits have shown that these, when used in large diameter turbofor, have a shorter service life than when they are used in conventional drilling.
The decrease in life results from wear of the bearings caused by a high rotation speed.
The present invention provides an assembly of tools which has a longer service life than known tools while ensuring optimum digging speed. It relates to a process allowing the production of wells under various geological conditions and using equipment fitted with at least one drilling tool arranged in a satellite.
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lite and driven in rotation by a motor or turbine possibly suspended from a train of rods which, by slow rotation imprinted possibly from the surface, drives the whole of the apparatus to sweep, in a movement of the planetary type, the front size of the well as well as the walls of the well along a circumference in which the envelope of the
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trajectories of each of the cutting edges of said drilling tools,
essentially characterized in that the axis of rotation of each of the aforementioned tools is inclined relative to a longitudinal plane which passes through the center of rotation of the tool and by the longitudinal axis of the well.
According to a feature of the invention, the axis of rotation of each of the aforementioned tools is inclined with respect to the abovementioned longitudinal plane, in the direction of rotation of the assembly as a whole, so that the inclination of the tool is greater than that of the surface area of the well face.
Each of the drilling tools advantageously consists of a cutting member of the surface milling cutter type which ensures the disintegration of the rock for the advancement of the well, essentially by lateral milling.
The invention also relates to a drilling rig intended for the method described above, this assembly being essentially characterized in that it consists of at least one milling cutter of the milling cutter type, the cutting edges of which are arranged at the periphery. at least a limited area.
The cutting edges are advantageously filled with a diamond concretion.
In a particular embodiment, the aforementioned cutter is a stepped cutter whose cutting edges are arranged at the periphery of several annular surfaces of decreasing diameter from top to bottom.
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Other features and details of the invention will appear during the following detailed description referring to the attached drawings which illustrate the process and two particular embodiments of the drilling tools according to the invention.
In these drawings: - Figures 1 and 2 are schematic views of a longitudinal section of a large diameter wellbore in progress and an aggregate of drilling tools; - Figures 3, 4 and 5 are plan views, end and side elevation of an aggregate or assembly of two tools whose left axes are inclined relative to the longitudinal plane which passes through the center of rotation of the tool and the longitudinal axis of the well,
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in 1-S- "A in the direction of rotation of the assembly; - Figure 6 illustrates the direct milling by rotation of the aggregate in the opposite direction to that of Figure 5;
- Figures 7 and 8 specify the arrangement and the direction of rotation of the tools when the axis of rotation of each of these is inclined relative to the said longitudinal plane, in the direction opposite to the direction of rotation of the assembly of the aggregate.
In these figures, the same reference notations designate identical or analogous elements.
To implement the large-diameter turboforching process, it is possible to use, as illustrated in FIG. 1, a conventional drilling site apparatus as used in oil drilling, namely a derrick 1, a settling tank 2, a rotation table 3, a drill string 4, drill collars 5 and a drilling or aggregate crew 6.
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The drilling crew 6 consists of at least one engine suspended from the drill string and a drilling tool arranged in satellite with respect to the drill string 4 above.
By slow rotation printed from the surface using a rotation table 3, the drill string 4 drives all of the aggregate 6 to sweep the bottom 7 and the walls 8 of the well.
The assembly of drilling tools 6 illustrated in FIG. 2 consists of two tools 9 arranged symmetrically in satellite with respect to the longitudinal axis L, L ′ of the well and actuated by two downhole motors 10.
In a particular embodiment, each of the tools 9 is formed of a circular plate 11, having a limited cylindrical surface
12 provided with a thread 13. Along the lower edge are regularly arranged segments provided with cutting corners 14 and / or cutting edges, braised, infiltrated or advantageously made up of indexable inserts 15. With such a tool 9, l he attack of the ground to dig a well with large diameter, is done in a very different way from the known drill bits with three toothed knobs.
While the latter work mainly by punching, by driving the teeth into the rock shoulder and scraping the side wall and the bottom of the well under the effect of the rotation of the knobs, the cutting elements of each of the tools 9 act essentially by shearing. Each of the teeth 13 of the tool 9 performs an intermittent cutting movement along a circular path. Tool 9 actually constitutes a cutter.
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The load on the teeth of this cutter is determined by the relationship between the feed value, the speed of rotation and the number of teeth.
According to a feature of the invention, the axis of rotation of each of the tools 9 is inclined relative to the longitudinal plane passing through the center of the tool and by the longitudinal axis of the well, so that the inclination of the the tool is greater than that of the surface of the well face. The axes of the tools thus form left straight lines situated in vertical planes parallel or inclined symmetrically with respect to the longitudinal axis.
The inclination of the axes of the tools relative to the vertical is relatively small, but it makes it possible to remedy the tailgating of the lower face of the tool along the substantially helical plane of the bottom of the well and thus avoids premature wear of the latter. this.
This direction of rotation of each of the cutters can be chosen in the same direction X as the direction Y of rotation of the planetary type of the aggregate so as to obtain along the walls of the well normal or direct milling (Figure 5) or be chosen in the opposite direction on condition of modifying the direction of the inclination of the drilling tools (figure 6).
In a different embodiment of the method according to the invention, the axis of rotation of each of the above tools is inclined with respect to the abovementioned longitudinal plane, in the direction opposite to the direction of rotation of the assembly, so as to give the tool an inclination in the opposite direction to that of the surface of the well face.
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In this way, the attack on the rock is carried out only with the wing of the rear part of the tool.
The direction of rotation of each of the tools can be chosen in the same direction X as the direction Y of rotation of the planetary type of the assembly as a whole (FIG. 7) or in the opposite direction (FIG. 8).
The process according to the invention offers, compared to the known turboforching process, the following advantages: - better efficiency, that is to say less consumption of power energy for a determined forward speed; - reduction in the number of interruptions since the cutter is a robust tool less prone to tool breakage and mechanical clutching than serrated drill bits; - longer tool life; - required verticality of the well with a common circular section; - smooth walls; - unhindered descent of heavy tubing; - optimal use of the available power by choosing the number of teeth and bearings; - rapid evacuation of rock chips.
It is obvious that the invention is not limited to the embodiment described above and that numerous modifications can be made to the latter without however removing it from the scope of the invention.
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Thus, the tool in question can be a simple cutter or a stepped cutter, having several circular rows of segments arranged in successive stages of diameters increasing from bottom to top.
The apparatus used may be different from the derrick illustrated in FIG. 1 and consist, for example, of a hydraulically actuated pontoon.