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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.