126g~;~i7 La presente invention est relative ~ un outil de forage diamanté, garni d'el~ments de coupe eventuellement synthetiqueQ, disposes en saillie par rapport a des zones de drainage formees par des portions de surface delimitant le corps de l'outil proprement dit et muni d'au moins un orifice de lavage alimentb en fluide de forage.
Les élements considéres sont des diamants naturels ronds, des diamants naturels cubiques, de^~
diamants synthetiques sertis, qu'ils soient mono- ou polycristallins et ~uelle que soit leur forme ou de plaquettes diamantees polycristallines rapport~es.
Les outils de forage diamantés suivant la prbsente invention trouvent leur principale application dans le forage de terrains tendres ou mi-durs eventuel-lement collants, tels que les argiles et les gr~s po-reux. Ils sont egalement ut~lises dans les terrains constitues de couches alternees de terrains très tendres et mi-durs. De tels terrains necessitent une hydrauli-que tres étudiee afin d'eviter d'une part, le rebroyage des dbchets de coupe et d'autre part, le colmatage de l'outil.
On connait par le brevet belge n 771.628, un trepan de forage rotatif garni de pierres serties. Ces diamants sont disposbs a la surface de l'outil en rangees sensiblement radiales ; ils sont sertis dans la partie du corps d'outil constitue de protubbrances ~d~
lZ643i7 d'attaque en saillie de quelques millimetres de haut, séparées entre elles par des gorges radiales qui as-surent le drainage des débris de coupe par le fluide de refroidissement L'arrangement des protubérances garnies de pierres serties et des évidements réservés au drainage du fluide de refroidissement du diamant ainsi que la géométrie de ces zones est choisie de ma-nière à ce que le refroidissement et l'évacuation des débris de roches soient optimaux. L'amenée du fluide de forage est réalisée par un large canal dans la zone centrale de l'outil; ce canal n'est pas spécialement profilé et le fluide de forage aboutissant à la surfa-ce de l'outil entre en contact avec la roche avec une vitesse faib~e et s'écoule préférentiellement suivant les passages d'eau plus ou moins radiaux, la chute de pression globale a l'outil est genéralement faible :
une dizaine de bars.
Ces outils à pierres serties conventionnels permet-tent, selon la quantité et la grosseur des pierres, de forer des terrains assez durs à très durs. Par contre, dans les terrains tendres et agglutinants, ils ne réa-lisent que des performances mediocres et se colmatent rapidement.
On connait aussi par le document US-A-3.915.246 un outil de forage rotatif comprenant un corps d'outil surmonté d'un dispositif de stabilisation et d'un man-chon fileté ayant un diamètre nettement inférieur à
celui de l'outil. Le corps d'outil présente une série de rainures verticales de largeur croissante s'éten-dant du nez de l'outil jusqu'au bord d'extrémité su-périeur d'un dispositif de stabilisation Des rainures horizontales divisent la surface du corps d'outil en ~2643i7 portions rectangulaires garllies d'une série d'éléments de coupe entourant cverl~uellement un orifice de rin~a-ge alimenté en fluide de forage par un canal longitu-dinal central.
Les éléments de coupe sont disposés hélicoldalement le long du corps d'outil. Ils sont formés des dents crénelees, des inserts de carbure de tungstène, des inserts de céramique dure ou des diamants. Ils sont rapportés directement sur le corps de l'outil, à la surface de l'outil. Certains éléments de coupe ont des dimensions nettement supérieures aux autres, de maniè-re à constituer des points d'attaque préférentiels.
Les rainures horizontales ont pour but de favoriser l'éclatement de la roche sous le poids de l'outil.
Une vanne à fermeture réglable automatique permet de maintenir dans un large canal dans une zone centra-le de l'outil, une pression suffisante pour alimenter une série d'ajutages dirigés sensiblement perpendicu-lairement dans une direction normale a la surface courbe du corps et de 1'outil de forage. Les ajutages ne sont donc pas destinés à rincer les éléments de coupe mais plutôt à attaquer la roche. En l'absence de rinçage, ces outils ne réalisent en -terrains tendres et agglutinants que des performances médiocres puisque rien n'est prévu pour éviter le colmatage. La disposi-tion verticale et transversale des rainures ne permet en effet plus d'assurer un drainage suffisant des débris de coupe par le fluide de forage. Par contre, ces outils permettent, grâce à la grosseur différente des pierres, d'attaquer des terrains assez durs à très durs en faisant éclater ponctuellement la roche.
C
- 126~3i7 D'autre part, on connaît aussi par le document US-A-4.323.130, des outils cle lorage ~ ]aquettes diaman-tées réparties sur toute la surface de l'outil.
Ces outils agissent principalement en coupant et en cisaillant la structure à forer. L'enlèvement insuffi-sant des copeaux formés par cisaillage dans les schis-tes plastiques rend le travail de l'outil difficile et ralentit l'avance de celui-ci.
Ces outils sont largement répandus sous deux formes préférées : les outils en carbure infiltré et les ou-tils en acier. Les deux formes d'outils se distinguent principalement par l'ordre chronologique des diverses ~tapes de préparati~n. _ ~
126431'7 3a D'une manière générale, les plaquettes diamantées sont constituées d'une couche de diamallt polycristal-lin rapportée sur un substrat de carbure de tungstène par frittage.
Dans les outils en carbure infiltré, les plaquettes diamantees ne sont fixées sur l'outil qu'en fin d'opé-ration, après moulage de l'outil. Elles sont solidari-sées par brasage sur des supports de carbure de tungstene préalablement enserrés dans le corps de l'outil au cours de sa fabrication par infiltration.
Par contre, dans les outils en acier, les plaquet-tes diamantées sont brasées sur un support de carbure avant que ceux-ci ne soient fixés sur le corps de l'outil le plus souvent par frettage.
La r~partition des plaquettes répond à des critères bien précis de densité radiale en fonction de la dis-tance au centre de l'outil et de la repartition angu-laire assurant un bon équilibrage mécanique de l'outil de forage. A cette répartition des plaquettes est as-sociée une repartition optimale de l'alimentation en fluide de forage qui, dans ce cas, est constituée de plusieurs conduits ménagés dans la masse et aboutis-sant à la surface de l'outil en des endroits bien dé-terminés, généralement de part et d'autre de l'axe de rotation à des distances différentes de l'axe susdit;
ces conduits sont en général munis, à leur extrémité, d'ajutages d'injection dirigés sensiblement perpendi-culairement à la surface de l'outil, leur permettant de créer des jets puissants perpendiculaires à la paroi du puits foré. L'impact des jets contribue à la destruction de la roche et le fluide dévié permet le refroidissement de l'outil et favorise le deblaiement des débris de manière a éviter le colmatage.
Les ajutages d'injection sont realisés en un '~
. ~.
12643i7 matériau présentant une haute resistance à l'usure, géneralemerlt du carbure dc tungsterlc frltte Le fluide de forage présent dans la cavité intérieure de l'outil et provenant du train de tige, en traversant l'ajuta-ge, est soumis à une accélération brutale avec un ren-dement hydraulique élevé, la différence de pression entre l'amont et l'aval de l'ajutage peut atteindre 50 à 100 bars, ce qui correspond à des vitesses liné-aires du jet au voisinage de l'orifice de l'ordre de grandeur de 100 mètres par seconde.
Quelle que soit sa forme extérieure, le corps des outils décrit dans le document US-A-4.323.130 précité
peut être réalisé indifféremment en acier ou en carbu-re infiltré.
Ce dernier type d'outils réalise d'excellentes per-formances dans les terrains tendres et, en particu-lier, dans les terrains très tendres et agglutinants.
On constate toutefois que la vitesse de pénétration diminue très rapidement lorsqu'on aborde des terrains de dureté plus élevée, tels des terrains de dureté
moyenne comme par exemple le calcaire et la dolomie.
On constate également un risque de plus en plus grand de colmatage au fur et à mesure que le diamètre de l'outil augmente et ce, en raison de la difficulte croissante d'éliminer les débris de coupe.
Enfin, par le document US-A-3.322.213 est connu un outil rotatif de forage minier ou pétrolier comprenant un corps d'outil garni d'éléments de coupe groupés sur des îlots répartis sur toute la surface de l'outil et séparés les uns des autres par des portions de surface délimitant le corps de l'outil proprement dit. Au cen-tre de chaque îlot, est ménagé un orifice de rinçage ~ ':'.
4a 126~317 alimenté en fluide de forage par un canal longitudinal central. Les éléments de coupe sont des diamants ou des plots de carbure de tungstène fixés au corps d'ou-til par sertissage, brasage ou soudage.
Les orifices de rin~age ne sont pas munis d'a-jutage. Le fluide de forage est amené par un canal axial ménagé au centre du corps d'outil. Ce canal débouche en divers orifices de décharge ménagés à la surface in-férieure de l'outil. Le fluide de forage s'échappe li-brement des orifices de décharge, s'écoule latéralement vers des zones de drainage radiales ou hélico;dales ré-parties sur la face latérale de l'outil. Ces zones as-surent une répartition homogène du fluide de forage et donc un débit suffisant à l'endroit de chaque élément coupant. Un refroidissement défectueux à un endroit donné provoquerait la destruction irrémédiable d'un é-lément coupant.
L'écoulement libre le long des zones de drai-nage ne permet cependant pas de rincer les éléments cou-pants et d'évacuer certaines boues qui adhèrent à l'ou-til. Un tel outil se colmate donc facilement dans les terrains agglutinants.
La présente invention vise à remédier aux in-convénients des outils connus précités.
La présente invention vise un outil de fora-ge diamanté, comportant un corps d'outil garni d'élé-ments de coupe groupés sur des ilots répartis sur toute la surface de l'outil et séparés les uns des autres par des zones de drainage formées par des portions du corps de l'outil et munies d'au moins un orifice de lavage dans lequel débouche un ajutage d'injection de fluide de forage incliné par rapport à la surface de l'outil, les ajutages d'injection étant dirigés directement vers les éléments de coupe.
12~43~7 De préférence, dans les terrains de dureté
plus élevée, on utilisera des pierres naturelles ou syn-thétiques serties sur des îlots en saillie de 1 à 10 mm par rapport au corps de l'outil proprement dit.
De préférence, les îlots présentent une lar-geur de 20 à 200 mm et de preférence de 20 à 60 mm.
De preférence, les éléments de coupe sont grou-pés par trois, dont deux de front suivis d'un troisième élément, ces éléments formant un triangle.
De préférence, les ajutages d'injection sont inclinés radialement et tangentiellement par rapport à la surface de l'outil ou des llots.
De préférence, les îlots comportent des sur-faces-freins situées devant les éléments de coupe et destinées à limiter la profondeur de coupe de ces élé-ments de coupe.
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1`, - ' 6 ~.26~3i7 D'autres particularites et détails de l'invention apparaitront au cours de la description detaill~e suivante d'une forme de realisation pr~ferbe de l'outil de forage suivant l'invention a eléments de coupe et jet~ repartis.
Dans ces dessins ~
10 - la figure 1 montre en perspective, un outil de forage plat ~ pierres serties disposees en saillie sur des protuberances reparties suivant l'invention, sur toute la surface de l'outil ;
15 _ les figures 2 et 3 sont des vues de bout et de plan de l'outil de forage montre a la figure 1 ;
- les figures 4 et 5 sont des vues de bout et de plan de l'outil du type d'ilot montre aux figures 1 et 126g ~; ~ i7 The present invention relates to a tool diamond drill bit, lined with cutting elements possibly syntheticQ, projecting by in relation to drainage areas formed by portions of surface delimiting the body of the tool itself and provided with at least one washing orifice supplied with drilling fluid.
The elements considered are diamonds natural round, natural cubic diamonds, of ^ ~
synthetic diamonds set, whether mono- or polycrystalline and ~ whatever its shape or polycrystalline diamantees report ~ es.
Diamond drilling tools according to the present invention find their main application when drilling soft or semi-hard soils lement sticky, such as clays and gr ~ s po-reux. They are also used in the fields made up of alternating layers of very soft ground and medium hard. Such grounds require hydraulic that very studied in order to avoid on the one hand, the regrinding cutting waste and on the other hand, clogging of the tool.
We know by Belgian patent n 771.628, a rotary drill bit filled with set stones. These diamonds are arranged on the surface of the tool in substantially radial rows; they are set in the part of the tool body constitutes protuberances ~ d ~
lZ643i7 protruding attack a few millimeters high, separated from each other by radial grooves which the drainage of cutting debris by the fluid The arrangement of the protrusions garnished with set stones and reserved recesses drainage of diamond coolant as well as the geometry of these zones is chosen in my-denies that the cooling and evacuation of rock debris to be optimal. The fluid supply drilling is carried out by a wide channel in the area tool center; this channel is not specially profile and the drilling fluid leading to the surface this of the tool comes into contact with the rock with a speed faib ~ e and flows preferentially according to more or less radial water passages, the fall of overall tool pressure is generally low:
ten bars.
These conventional set stone tools allow try, depending on the quantity and size of the stones, to drill fairly hard to very hard terrain. On the other hand, in tender and agglutinative terrain, they do not read that poor performance and get clogged quickly.
We also know from document US-A-3,915,246 a rotary drilling tool comprising a tool body surmounted by a stabilization device and a man-threaded thread with a diameter significantly less than that of the tool. The tool body has a series of vertical grooves of increasing width extend from the nose of the tool to the upper end edge front of a stabilization device Grooves horizontally divide the surface of the tool body into ~ 2643i7 rectangular portions garnished with a series of elements cutting surrounding cverl ~ only a rinse hole ~ a-ge supplied with drilling fluid by a longitu-central dinal.
The cutting elements are arranged helically along the tool body. They are formed from teeth crenellated, tungsten carbide inserts, hard ceramic inserts or diamonds. They are attached directly to the tool body, at the tool surface. Some cutting elements have significantly larger than the others, so re to constitute preferential attack points.
The horizontal grooves are intended to promote the bursting of the rock under the weight of the tool.
An automatic adjustable closing valve allows maintain in a wide channel in a central area the tool, enough pressure to feed a series of nozzles directed substantially perpendicular to lying in a direction normal to the surface body curve and drilling tool. The nozzles are therefore not intended to rinse the elements of cut but rather to attack the rock. In the absence of rinsing, these tools do not perform in soft ground and agglutinative than mediocre performance since nothing is planned to avoid clogging. The disposi-vertical and transverse grooves do not allow indeed more to ensure sufficient drainage of cutting debris from drilling fluid. On the other hand, these tools allow, thanks to the different size stones, to attack fairly hard terrain at very hard by punctually bursting the rock.
VS
- 126 ~ 3i7 On the other hand, we also know from the document US-A-4.323.130, tools for storming ~] diamonds tees distributed over the entire surface of the tool.
These tools work mainly by cutting and shearing the structure to be drilled. Insufficient removal chippings formed by shearing in the schis-your plastics make the tool work difficult and slows down the advance of it.
These tools are widely used in two forms preferred: infiltrated carbide tools and steel mesh. The two forms of tools stand out mainly by the chronological order of the various ~ preparation steps ~ n. _ ~
126,431'7 3a Generally speaking, diamond chips consist of a layer of polycrystal diamallt-flax reported on a tungsten carbide substrate by sintering.
In carbide tools, inserts diamanteses are only fixed on the tool at the end of the operation.
ration, after molding the tool. They are united brazed on carbide supports of tungsten previously enclosed in the body of the tool during its manufacture by infiltration.
On the other hand, in steel tools, the inserts your diamonds are brazed on a carbide support before these are attached to the body of the tool most often by shrinking.
The distribution of platelets meets criteria precise radial density as a function of the tance in the center of the tool and the angular distribution area ensuring good mechanical balancing of the tool drilling. To this distribution of platelets is as-company an optimal distribution of food in drilling fluid which, in this case, consists of several conduits formed in the mass and terminated on the surface of the tool in well defined places completed, generally on either side of the axis of rotation at different distances from the above axis;
these conduits are generally provided, at their end, of injection nozzles directed substantially perpendicular to on the surface of the tool, allowing them create powerful jets perpendicular to the wall of the drilled well. The impact of jets contributes to the destruction of the rock and the diverted fluid allows the cooling of the tool and promotes clearing debris so as to avoid clogging.
The injection nozzles are made in one '~
. ~.
12643i7 material with high resistance to wear, general carbide dc tungsterlc frltte The fluid drilling present in the interior cavity of the tool and coming from the stem train, crossing the ajuta-ge, is subjected to a sudden acceleration with a rise high hydraulic pressure difference between upstream and downstream of the nozzle can reach 50 at 100 bars, which corresponds to linear speeds jet areas in the vicinity of the orifice on the order of magnitude of 100 meters per second.
Whatever its external shape, the body of tools described in the aforementioned document US-A-4,323,130 can be made either of steel or carburetor re infiltrated.
This latter type of tool achieves excellent per-training in soft terrain and, in particular to bind, in very soft and agglutinative grounds.
However, it can be seen that the speed of penetration decreases very quickly when approaching terrain of higher hardness, such as hardness terrains medium such as limestone and dolomite.
There is also an increasing risk clogging as the diameter of the tool increases and this, due to the difficulty growing to remove cutting debris.
Finally, from document US-A-3.322.213 is known a rotary mining or petroleum drilling tool comprising a tool body provided with cutting elements grouped on islands distributed over the entire surface of the tool and separated from each other by surface portions delimiting the body of the tool itself. In the middle tre of each island, is provided a rinsing orifice ~ ':'.
4a 126 ~ 317 supplied with drilling fluid through a longitudinal channel central. The cutting elements are diamonds or tungsten carbide studs attached to the body by crimping, soldering or welding.
The flushing holes are not provided with a-juicing. The drilling fluid is brought in through an axial channel formed in the center of the tool body. This channel leads in various discharge orifices provided on the surface tool. The drilling fluid escapes li-discharge ports loosely, flows sideways towards radial or helical drainage zones;
parts on the side of the tool. These areas have have a homogeneous distribution of the drilling fluid and therefore sufficient flow at the location of each element cutting. Faulty cooling in one place given would cause the irreparable destruction of an e-very sharp.
Free flow along the drai-swimming does not, however, rinse the elements pants and to evacuate certain sludge which adhere to the til. Such a tool therefore clogs easily in the agglutinative land.
The present invention aims to remedy the the above known tools.
The present invention relates to a drilling tool diamond age, comprising a tool body lined with ele cutting elements grouped on islands distributed throughout the surface of the tool and separated from each other by drainage areas formed by portions of the body of the tool and provided with at least one washing orifice into which opens a fluid injection nozzle drilling inclined relative to the surface of the tool, the injection nozzles being directed directly to the cutting elements.
12 ~ 43 ~ 7 Preferably, in hardness terrains higher, use natural or syn-aesthetics crimped on islands projecting from 1 to 10 mm from the body of the tool itself.
Preferably, the islets have a lar-ger from 20 to 200 mm and preferably from 20 to 60 mm.
Preferably, the cutting elements are grouped weighed by three, including two at the front followed by a third element, these elements forming a triangle.
Preferably, the injection nozzles are inclined radially and tangentially with respect to on the surface of the tool or blocks.
Preferably, the islets include over-brake faces located in front of the cutting elements and intended to limit the cutting depth of these elements cutting elements.
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1`, - ' 6 ~ .26 ~ 3i7 Other peculiarities and details of the invention will appear during the description next detail of an embodiment pr ferbe of the drilling tool according to the invention has elements of cut and throw away.
In these drawings ~
10 - Figure 1 shows in perspective a tool for flat drilling ~ set stones projecting on protuberances distributed according to the invention, over the entire surface of the tool;
15 _ Figures 2 and 3 are end and plan views of the drilling tool shown in Figure 1;
- Figures 4 and 5 are end and plan views of the island type tool shown in Figures 1 and
2 5 - les figures 6 a 11 montrent en detail trois forme-~
de realisation diff~rentes de sertissage de pierre cubique susceptible d'être appliquee sur un ~lot, vues respectivement en bl~vation laterale et en bout ~
- les figures 12 A 17 illustrent en dbtail trois forme~ de realisation differentes de sertissage d'une pierre prismatique susceptible d'être applique sur un ilot, vues respectivement en ~levation latbrale et en bout ~
- la figure 18 montre en perspective, un outil de forage plat ~ plaquettes diamantees 7 lZ~4317 polycristalline6 dispos~es en saillie sur des protub~rances ;
- les figures 19 et 20 sont des vues de bout et de plan de l'outil de forage montr~ a la figure 16 ;
- les figures 21 et 22 illustrent en d~tail une protub~rance garnie de plaquettes polycristallines, 0 - la figure 23 montre une forme de repartition radiale des llots et de leurs ~l~ments de coupe ;
- la figure 24 illustre la realisation d'un ~lot de grande dimension, comportant un element secondaire de protection de plaquettes diamantees constitu~
d'une surface-frein, et - la figure 25 est une coupe d'un $10t, tel que montre a la figure 24, normale a la surface de l'outil et parallèle a la direction de coupe.
Dans ces figures, les mêmes notations de reference dbsignent des elements identiques ou analogues.
De nombreuses publications recentes montrent l'importance de l'hydraulique dans le comportement des outils de forage pour en ~ustifier les performances.
Elles etudient en particulier ~l'effet ~et~ et le relief des outils ~quipes de ces ~ets. Les elements de coupe les plus repandus sont des plaquettes diamantees de type PDC, c'est-~-dire ~polycristalline diamand compact~.
En partlculier, l'ouvraga de synth~se intltule ~Advanced Dr~lling Techniques~ par William C.
Maurer, comptant 698 pages et ed~te en 1980 par The 8 126~3~7 Petroleum Company, décrit divers aspects des effets ~ets en forage p~trolier.
L'article de Dave Glowka ~Optimalisation of Bit Hydraulic Configuration~, de Sandia National Laboratories paru dans la revue technique ~Society of Petroleum Engineers Journal" de fevrier 1983, analyse le comportement des outils a plaquettes PDC munis d'orifices de lavage non munis d'ajutages d'injection.
En fait, il existe de~ des outils a ~ets, tels que ceux decrits dans le brevet americain n 4 323 130, les elements coupants sont cependant fix~s au niveau de la surface inf~rieure plane de la matrice de l'outil.
Ces outils a jets suivant l'invention, design~s dans leur ensemble par la notation de ref~rence 1, 5e distinguent d'autres outils de forage par l'ensemble des elements suivants :
- un profil quelconque muni eventuellement d'un ~videment conique 2 ~
25 - une distribution des elementY de coupe 3 sur toute la surface de l'outil, non pas repartis suivant des ~lames~ ou ~ailes~, ni non plus complètement isoles les uns des autres, mais plutôt groupes en surelevation sur des tlot~ 4, separés entre eux par des zones de drainage 5 dans le but de favoriser leur refroidissement et l'elimination de debris de roches J
- une alimentation en fluide de forage au travers de conduitQ 6 aboutisqant a la surface de l'outil, 9 12~4;~ ~
~oit dans les zones de drainage 5, soit dans les ilots 4, dirig~s vers la formation et en g~néral garnis chacun a leur extr~mité d'un ~jet nozzle~ 7, c'e~t-~-dire d'un ajutage constitué d'un mat~riau offrant une résistance particuli~re a l'érosion et qui, par son profil bien étudi~, permet la mise en vitesse du fluide de forage avec un bon rendement hydraulique. Les canaux peuvent aboutir dans les canaux de rinçage ou encore dans les ilots.
La vitesse du fluide de forage atteint a la sortie du jet, de pref~rence un ordre de grandeur de lO0 m/s.
Les fortes turbulences ainsi obtenues favorisent l'~limination des débris de roches et contribuent a empêcher le rebroyage des débris qui reduit a la fois la vitesse de penétration de l'outil et la longevit~ de l'outil.
Blles emp~chent le colmatage de l'outil dans les terrains tr~s tendres et collants s on estime également que dans les terrains tres tendres, le fluide de forage entrant a grande vitesse en contact avec la roche participe ~ la destruction de celle-ci a condition que lia~utage soit dirige vers la formation.
Comme lllustr~ aux figures 1 a 3, dans ~n outil de forage ~ pierres serties, chaque ilot 4 comporte plusieurs pierres cubiques 8, serties par leur base dans une protub~rance constitu~e d'une portion de surface 9 en saillie par rapport au niveau de la surface externe du corps de l'outil.
Dans ce cas, la portion de la surface 9 sur 10 126~317 laquelle sont serties les pierres, est en saillie d'une hauteur pouvant être ~gale tout au plus, ~ la largeur de coupe de l'ilot, cette valeur ~tant consid~ree comme une limite technologique.
Trois pierres cubiques 11 de quatre millimetres environ, sont serties sur deux rang~es de manière a assurer un recouvrement complet par ~lot. La saillie emerge avantageusement d'environ 7 mm de la surface du corps de l'outil.
Deux pierres 11' dépos~es de front assurent une largeur de coupe suffisante, par exemple de l'ordre de grandeur de la largeur de coupe d'une plaquette traditionnelle de 13,3 mm de diam~tre. Les deux pierres 11' de front sont suivies d'une troisi~me pierre de 11 dispos~e entre les sillages des deux premi~res.
La figure 3 montre que la repartition des pierres suivant la presente invention 8 ~ inspire de celle realisee pour les outils plats a plaquettes reparties dans la mesure o~ les pierres sont disposées en llots 4 isoles et repartis -~uivant des lois semblables a celles utilisees pour les plaquettes. Chaque ~lot comprend plusieurs pierres de maniere a assurer, pour chaque ~lot une largeur de coupe suffisante qui, dans le cas de l'exemple decrit et de l'ordre de grandeur de la largeur de coupe des plaquettes utilis~e~r- --habituellement sur les outils plats ~ plaquettes rbparties. L'alimentation en fluide de forage est identique a celle decrite à la figure 2 et donc, presente egalement les m~mes avantages.
Les fiyures 4 et 5 decrivent en detail une realisation possible des ilots comportant les elements ~26~3~7 de coupe. Dans ce cas, la position de surface 9 sur laquelle sont serti~ les ~lements de coupe est en saillie de 7 millim~tres environ par rapport au corps de l'outil proprement dit 10. Trois pierres 8 sont ser-ties sur deux rangees de maniere a assurer un recouvre-ment complet par llot.
Les figures 6 a 11 donnent trois exemples de positionnement dans la matrice d'un ~lément de coupe cubique. Ainsi les figures 6 et 7, 8 et 9 ainsi que 10 et 11 sont respectivement des vues en bout et en ~léva-tion lat~rale des exemples susdits, le sens de défile-ment de la roche est indique dans les trois cas par la flèche 12, les figures 6 ~ 9 montrent que l'élément de lS coupe cubique peut être positionne de manière a présen-ter une face plane 13 a la roche, l'elbment pénbtrant le plus profondement dans la roche étant le coin 14 dans le cas 6 et l'arête 15 dans le cas 7.
Les figures lO et ll montrent que l'~lément de coupe cubique peut être positionné de manière à
présenter une arête 16 a la roche t dans ce cas, ~ ment p~netrant le plus profondement dans la roche est obligatoirement le coin 17.
Dans les trois cas, l'element de coupe est positionné de maniere a présenter un angle de d~pouille 18, gui est g~n~ralement compris entre 5 et 30 degrés, compt~ positivement comme indiqué par les figure~.
Les figures 12 a 17 sont trois exemples de positionnement dans la matrice d'un ~lément de coupe prismatigue à base triangulaire 19.
Ces representations sont semblables ~ celles 12 i;~6~317 des figures 6 a 11 se rapportant aux pierres cubiques, elles sont donn~es avec les mêmes num~rotations 20,21,22,23,24, ~5, 26.
Les figures 18 a 20 montrent une forme de realisation possible d'ilots 4 comportant des plaquettes diamant~es polycristallines 27 brasees sur des plots de carbure 28 sertis dans le corps 10 de l'outil de forage 1.
La ~urface 9 sur laquelle sont serties les plaquettes diamantbes 27 est en saillie par rapport au corps de l'outil proprement dit d'une hauteur pouvant être egale au maximum a la largeur de coupe de 1'$1Ot, cette valeur ~tant considérbe comme une limite technologique.
Trois plaquettes diamantees traditionnelles 27, par exemple de 13,3 mm de diametre sont serties sur un tlot 4 emergeant avantageusement de 15 mm de la surface du corps 10 de l'outil.
La disposition de~ plaquettes 21 sur chaque ilot 4 et la r~partition des ~lots sont choisies de maniere a assurer un recouvrement complet de l'llot.
Comme illustr~ aux figures 21 et 22, on place--par exemple deux plaquettes de front, afin d'assurer une largeur de coupe d'environ 35 mm. Les plaquettes 21' diamant~es de front sont suivies d'une troisieme plaquette 21~ disposee entre le3 sillages des deux premieres.
A la surface de l'llot peut aboutir un con-duit d'arrivee de fluide 6 muni d'un a~utage d'injec-13 12643~7 tion 7 dont l'axe dirigé vers la formation, est ~gale-ment incliné vers les plaquettes diamant~es, comme illustr~ aux figures 15 et 16.
La figure 23 montre une forme de répartition radiale possible des ~léments de coupe cubiques 8. Les éléments et les ilots 4 sont disposés a des distances diff~rentes de l'axe de rotation de l'outil. Le dbca-lage radial entre deux plots successifs est tel que l'élément de coupe situé ~ l'extbrieur d'un Ilot i est confondu en projection avec l'~l~ment de coupe situé au centre sur l'ilot i t 1 et également confondu en projection avec l'élément de coupe situé à droite sur l'Ilot i + 2 ; dans ce cas donc, chaque sillage est parcouru trois fois consécutivement par des éléments successifs i,i ~ 1 et i t 2.
OD peut évidemment doubler à volonte la densité des ~léments de coupe en multipliant le nombre d'$10ts ; en particulier aux endroits particuli~rement sollicités.
Comme illustré aux figures 24 et 25, les ilots garnis de plaquettes diamantées peuvent avoir, principalement dans les outils de grand diamètre, une extension importante 5 dans ce cas, les ~lots peuvent atre separ~s par des zones de drainage également volumineuses.
Dans les terrains très tendres pour lesquels ces outils sont destin~s en principe, les vitesses d'avance instantan~es peuvent ~tre très blevées de telle sorte que les plaquattes diamantées 27, et principale-ment celles situ~es sur la première rangée de chaque ilot 4 peuvent devoir arracher un volume énorme de ~Zt~4317 matiere et en tout cas beaucoup trop important en regard de la resistance m~canique de la plaquette diamantee elle-même ou de son support en carbure de tungstene fritte. Il s'ensuit qu'on sera amene ~ proteger les plaquettes diamant~es de ces surcharges temporaire~
potentielles par des surfaces-freins 29 situés devant les plaquettes diamantees et dont la face sup~rieure 30 est a un niveau inferieur ~ celui de l'arête de coupe des plaquettes diamantees d'une valeur ~gale ~ la profondeur de coupe tol~rée. Ces surfaces-freins 29, comme illustre a la figure 18, sont avantageusement constitu~es par une surél~vation faite du même carbure infiltre que le corps de l'outil lui-même et sertie de pierres, par exemple des cubes polycristallins synthé-tiques ll d~j~ decrits de manière a augmenter la resis-tance a l'abrasion par la formation de la surface 42 et a en diminuer le coefficient de frottement sur cette même formation ; les surfaces-freins 29 pourront egale-ment être constituees par exemple de pieces en carbure de tungstène fritte par du cobalt et comportant ou non du diamant ou même, si cela s'averait n~cessaire, par une ou plusieurs rangees de plaquettes diamantees si-tuees egalement a un niveau inf~rieur par rapport aux plaquettes principales.
Il est evident que l'invention n'est pas limit~e a la forme de realisation decrite ci-dessus et gue de nombreuses modifications peuvent etre apportees au nombre d'elements de coupe sertis par Ilot, a la repartition de ces derniers, ainsi qu'au nombre et a la disposition des a~utages sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 2 5 - Figures 6 to 11 show in detail three forms-~
of different stone setting cubic which can be applied to a lot, seen respectively in lateral bl ~ vation and in butt ~
- Figures 12 to 17 illustrate in detail three different form of crimping of a prismatic stone likely to be applies to an island, respectively seen in ~ lateral and end lifting ~
- Figure 18 shows in perspective, a tool for flat drilling ~ diamond inserts 7 lZ ~ 4317 polycrystalline6 arranged on projecting protuberances;
- Figures 19 and 20 are end views and plan of the drilling tool shown in FIG. 16;
- Figures 21 and 22 illustrate in detail a protub ~ rance filled with polycrystalline plates, 0 - figure 23 shows a form of distribution radial of the blocks and their cutting elements;
- Figure 24 illustrates the realization of a ~ batch of large, with a secondary element for protecting diamond wafers constituted ~
a brake surface, and - Figure 25 is a section of $ 10t, such that shown in figure 24, normal to the surface of the tool and parallel to the cutting direction.
In these figures, the same notations of reference denote identical elements or analogues.
Many recent publications show the importance of hydraulics in the behavior of drilling tools to ~ ustify performance.
They study in particular ~ the effect ~ and ~ and the relief tools ~ equipped with these ~ ets. Cutting elements the most common are diamond-type inserts PDC, that is ~ ~ say ~ polycrystalline diamand compact ~.
In particular, the synthesis work intltule ~ Advanced Dr ~ lling Techniques ~ by William C.
Maurer, 698 pages long and published in 1980 by The 8 126 ~ 3 ~ 7 Petroleum Company, describes various aspects of the effects in oil drilling.
Dave Glowka's article ~ Optimization of Bit Hydraulic Configuration ~, from Sandia National Laboratories published in the technical journal ~ Society of Petroleum Engineers Journal "of February 1983, analyzes the behavior of tools with PDC inserts fitted washing orifices not fitted with injection nozzles.
In fact, there are ~ tools a ~ ets, such as those described in U.S. Patent No. 4,323 130, the cutting elements are however fixed ~ s at level of the plane lower surface of the matrix of the tool.
These jet tools according to the invention, design ~ s as a whole by the reference notation 1, 5e distinguish other drilling tools by all of the following:
- any profile possibly provided with a ~ conical emptying 2 ~
25 - a distribution of the cutting elements 3 on all the surface of the tool, not distributed according to ~ blades ~ or ~ wings ~, nor completely isolated each other but rather groups in heightening on tlot ~ 4, separated from each other by drainage areas 5 in order to promote cooling them down and removing debris from rocks J
- a supply of drilling fluid through conduitQ 6 terminating on the surface of the tool, 9 12 ~ 4; ~ ~
~ oit in drainage areas 5, i.e. in islands 4, directed to training and in general each fitted at their end with a jet nozzle 7, it ~ t- ~ say a nozzle consisting of a mat ~ riau offering a particular resistance to erosion and which, by its well studied profile ~, allows the implementation drilling fluid speed with good efficiency hydraulic. Channels can end in rinsing channels or in the islands.
The speed of the drilling fluid reached at jet outlet, preferably an order of magnitude of l00 m / s.
The strong turbulence thus obtained promote the removal of rock debris and help prevent regrind of debris which reduces both the speed of penetration of the tool and the longevit ~ of the tool.
Blles prevent clogging of the tool in very soft and sticky soils we estimate also that in very soft ground, the fluid of drilling entering at high speed in contact with the rock participates ~ the destruction of it provided that the utility be directed to training.
As lllustr ~ in Figures 1 to 3, in ~ n drilling tool ~ gemstones, each island 4 contains several cubic stones 8, set by their base in a protuberance made up of a portion of surface 9 protruding from the surface level outside of the tool body.
In this case, the portion of the surface 9 on 10 126 ~ 317 which are set with stones, protrudes from a height may be ~ equal at most, ~ the width of section of the island, this value being considered as a technological limit.
Three cubic stones 11 of four approximately millimeters, are set in two rows of so as to ensure complete recovery by ~ lot. The protrusion advantageously emerges about 7 mm from the tool body surface.
Two 11 'stones placed at the front ensure sufficient cutting width, for example of the order the width of the cutting width of a wafer traditional 13.3 mm in diameter. The two stones 11 'front are followed by a third stone of 11 disposed between the wakes of the first two.
Figure 3 shows that the distribution of stones according to the present invention 8 ~ inspired by that made for flat tools with distributed inserts insofar as the stones are arranged in blocks 4 isolated and distributed - ~ following laws similar to those used for platelets. Each ~ lot includes several stones to ensure, for each ~ batch a sufficient cutting width which, in the case of the example described and the order of magnitude of the cutting width of inserts used ~ e ~ r- -usually on flat tools ~ inserts rbparties. The drilling fluid supply is identical to that described in Figure 2 and therefore, also has the same advantages.
Figures 4 and 5 describe in detail a possible realization of the islands comprising the elements ~ 26 ~ 3 ~ 7 cutting. In this case, the surface position 9 on which are crimped ~ the cutting elements is in projection of approximately 7 millimeters relative to the body of the actual tool 10. Three stones 8 are used tied in two rows to ensure overlap fully completed by llot.
Figures 6 to 11 give three examples of positioning in the die of a cutting element cubic. Figures 6 and 7, 8 and 9 as well as 10 and 11 are respectively end and ~ leva- views lateral tion of the above examples, the direction of scrolling-rock is indicated in all three cases by the arrow 12, Figures 6 ~ 9 show that the element of The cubic section can be positioned so that ter a flat face 13 in the rock, the penetrating element the deepest in the rock being the corner 14 in case 6 and edge 15 in case 7.
Figures lO and ll show that the element cubic cut can be positioned so that present an edge 16 to the rock t in this case, ~ ment penetrating deepest into the rock is necessarily corner 17.
In all three cases, the cutting element is positioned to present an angle of d ~ pouille 18, mistletoe is generally between 5 and 30 degrees, count ~ positively as indicated by the figures ~.
Figures 12 to 17 are three examples of positioning in the die of a cutting element triangular prismatic 19.
These representations are similar to those 12 i; ~ 6 ~ 317 Figures 6 to 11 relating to cubic stones, they are given with the same numbers 20,21,22,23,24, ~ 5, 26.
Figures 18-20 show a form of possible realization of islands 4 comprising diamond chips ~ polycrystalline 27 brazed on carbide studs 28 set in the body 10 of the drilling tool 1.
The ~ urface 9 on which the diamond plates 27 protrudes from the body of the actual tool with a height that can be equal to the maximum cutting width of 1 '$ 1Ot, this value ~ being considered as a limit technological.
Three traditional diamond pads 27, for example 13.3 mm in diameter, are crimped onto a tlot 4 advantageously emerging 15 mm from the surface of the body 10 of the tool.
The arrangement of ~ plates 21 on each block 4 and the distribution of the ~ lots are chosen from so as to ensure complete recovery of the lot.
As illustrated in Figures 21 and 22, we place--for example two front pads, to ensure a cutting width of about 35 mm. 21 'pads front diamonds are followed by a third plate 21 ~ arranged between the 3 wakes of the two premieres.
On the surface of the lot can lead to a con-fluid inlet line 6 provided with a ~ use of injector 13 12643 ~ 7 tion 7 whose axis directed towards formation, is ~ gale-inclined towards the diamond plates ~ es, as illustr ~ in Figures 15 and 16.
Figure 23 shows a form of distribution possible radial ~ cubic cutting elements 8. The elements and islands 4 are arranged at distances different from the axis of rotation of the tool. The dbca-the radial width between two successive studs is such that the cutting element located ~ the exterior of an Island i is confused in projection with the cutting element located at center on the island it 1 and also confused in projection with the cutting element on the right on Island i + 2; in this case therefore, each wake is traversed three times consecutively by elements successive i, i ~ 1 and it 2.
OD can obviously double the density of ~ cutting elements by multiplying the number $ 10ts; especially in places particularly solicited.
As illustrated in Figures 24 and 25, the islands with diamond pads may have, mainly in large diameter tools, a important extension 5 in this case, the ~ lots can also separated by drainage zones bulky.
In very tender terrain for which these tools are intended ~ s in principle, the speeds instant advance ~ es can be very low so that diamond plates 27, and main-ment those located on the first row of each island 4 may have to pluck up a huge volume of ~ Zt ~ 4317 matter and in any case far too important compared of the mechanical resistance of the diamond insert itself or its tungsten carbide support frit. It follows that we will be brought to protect diamond chips ~ es of these temporary overloads ~
potential by brake surfaces 29 located in front the diamond wafers and the upper face 30 is at a level lower than that of the cutting edge diamond wafers worth ~ equal ~ the cutting depth tolerated. These brake surfaces 29, as illustrated in figure 18, are advantageously constit ~ es by a surél ~ vation made of the same carbide infiltrates only the body of the tool itself and set with stones, for example synthetic polycrystalline cubes ticks ll already described in order to increase the resistance abrasion resistance by the formation of the surface 42 and a decrease the coefficient of friction on this same training; the brake surfaces 29 may equal-ment be made for example of carbide parts of tungsten sintered with cobalt and with or without diamond or even, if necessary, by one or more rows of diamond inserts if-also killed at a lower level than main pads.
It is obvious that the invention is not limited ~ ea the embodiment described above and many modifications can be made the number of cutting elements set by Ilot, at the distribution of the latter, as well as the number and provision of a ~ utages without leaving the part of the invention.