CA1264317A - Outil de forage diamante - Google Patents
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Abstract
On améliore les performances d'un trépan de forage, en répartissant les éléments de coupe par petits groupes fixés chacun sur des îlots séparés répartis sur toute la surface de l'outil. Dans ce type d'outil, on garnit avantageusement chaque orifice de rinçage d'un ajutage d'injection.
Description
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
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;
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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
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.
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.
Claims (5)
1. Outil de forage diamanté, comportant 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 zones de drainage formées par des portions du corps de l'outil et munies d'au moins un o-rifice de lavage dans lequel débouche un ajutage d'in-jection de fluide de forage incliné par rapport à la surface de l'outil, les ajutages d'injection étant diri-gés directement vers les éléments de coupe.
2. Outil suivant la revendication 1, dans le-quel les éléments de coupe de chaque îlot sont sertis dans une embase faisant saillie par rapport à la surface de l'outil, cette embase faisant saillie ayant une hau-teur inférieure ou égale à la largeur de coupe de l'i-lot correspondant.
3. Outil de forage suivant la revendication 1, dans lequel les éléments de coupe sont groupés par trois, deux des trois éléments de coupe étant de front suivis du troisième élément, ces trois éléments formant un triangle.
4. Outil de forage suivant la revendication 2, dans lequel chaque îlots comporte une surface-frein située devant ses éléments de coupe et destinée à limiter la profondeur de coupe de ses éléments de coupe.
5. Outil de forage suivant la revendication 4, dans lequel chaque surface-frein est constituée d'une surélévation présentant une face qui s'étend à un niveau inférieur, au niveau de l'arête de coupe desdits éléments de coupe de l'ilôt correspondant, d'une distance corres-pondant à une profondeur de coupe tolérée.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BE0/213992A BE901037A (fr) | 1984-11-12 | 1984-11-12 | Trepan de forage diamante plat a pierres serties. |
BE0/213.992 | 1984-11-12 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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