CA1306242C - Outil de forage a jet incline - Google Patents

Abstract

: L'invention concerne un outil pour le forage ayant un diamètre D, des dents de hauteur H portées par des molettes, des moyens d'irrigation adaptés à délivrer au moins un jet fluide d'irrigation par un orifice calibré, le centre dudit jet à sa sortie dudit orifice étant situé à une distance d du plan perpendiculaire à l'axe de l'outil passant par le sommet des dents considérées du côté du front de taille. Selon la présente invention les grandeurs D, H et d sont telles que d ? 1,8 H et 0,125 D < d < 0,185 D. Application au forage des sols.

Description

1306Z~2 La presente invention concerne un outil de forage. Plus particulièrement, mais sans que cela soit limitatif, la présente invention se rapporte à un outil ou trépan de forage pouvant etre fixé
à l'extrémité inferieure d'une colonne de forage. L'outil selon l'invention est d'un type comportant plusieurs organes tournants munis d'éléments taillants, ces organes pouvant etre des molettes coniques tournant autour de roulements dont les axes sont inclines par rapport à l'axe central de l'outil.

Par le passé, Les performances de tels outils, utilises pour le forage des terrains, ont été ameliorées par l'action simultanée de jets de fluide de forage qui frappent le fond du trou, ou front de taille, dans chacun des espaces libres entre les organes d'attaques des terrains. Au niveau de l'outil, ce fluide de forage doit avoir comme fonctions essentielles de refroidir l'outil, de nettoyer cet outil ainsi que le front de taille, et d'évacuer rapidement les déblais (cuttings) vers l'espace annulaire compris entre la colonne de forage et la paroi du trou foré.

Dans un premier type d'outils selon l'art antérieur, les jets de fluide débouchent à un endroit situé notablement au-dessus du niveau des molettes. Il en résulte qu'avant d'atteindre le front de taille, les jets traversent le fluide de forage charge en déblais qui remplit le fond du trou foré. De ce fait, la vitesse d'écoulement des jets au 1~0624~

niveau de front de taille est considérablement ralentie, ce qui reduit leur efficacite. De plus, les jets entraînent une partie du fluide de forage chargé en deblais vers le front de taille où les déblais sont rebroyés par l'outil dont le rendement est ainsi diminué. Par ailleurs, les jets de fluide créent sur le front de taille une surpression qui comprime les terrains et l'on constate que la zone de contact entre l'outil et le front de taille où sont produits les déblais n'est pas suffisamment irriguée par le fluide de forage.

Diverses modifications ont ete proposées, en particulier les outils du types indiqué ci-dessus ont été modifiés pour que les jets de fluide de forage debouchent aussi près que possible du front de taille et, parfois même, un jet axial a eté ajouté. Néanmoins, ces perfectionnements n'ont pas donné entièrement satisfaction : le rebroyage des déblais n'a pas pu etre supprimé, pas plus que la surpression au niveau du front de taille.

Dans un second type d'outil selon l'art anterieur, on a propose d'utiliser, en combinaison avec les moyens d'irrigation constitues par des jets de fluide, des moyens d'aspiration du fluide chargé en déblais, ces moyens comportant un jet dirigé en sens oppose à celui de la progression de l'outil.
.

De tels outils sont notamment décrits dans les brevets français

2.378.938, 2.421.270 et 2.421.271.
La présente invention propose un outil du premier type ci-dessus défini, qui, par sa conception, est de realisation simple et robuste, tout en ayant des performances d'utilisation considérablement accrues par rapport aux outils du meme type et qui se rapprochent de celles du deuxieme type, alors qu'ils ne comportent pas de jets d'aspiration.

L'outil pour le forage de terrains comporte, selon la présente 1306~

invention :

. un corps d'outil destine à être entraîne en rotation par un porte-outil, une cavite étant ménagée dans ce corps pour recevoir à travers le porte-outil un fluide sous pression, s . une pluralite d'organes tournants portes par le corps de l'outil et munis de dents d'attaque des terrains sur un front de taille, ces dents ayant une hauteur H, le diametre dudit outil etant D, . des moyens d'irrigation adaptes à delivrer au moins un jet fluide d'irrigation dirige vers le front de taille, ces moyens comportant au moins un premier orifice calibré implanté sur le corps de l'outil, communiquant avec la cavité du corps d'outils et débouchant dans un espace compris entre deux organes tournants adjacents, ledit orifice calibré étant adapté à
produire un jet fluide dirige vers l'un des deux organes tournants entre lesquels est defini ledit premier espace, le centre dudit jet à sa sortie dudit orifice étant situé à une distance d du plan P perpendiculaire à l'axe de l'outil passant par le sommet des dents considérées du côté du front de taille.
Selon la présente invention les grandeurs D, H et d sont telles que d ~ 1,8 H et 0,125 D ~ d ~;0,185 D

Lorque l'outil selon l'invention comprend des moyens d'irrigation qui comportent un prolongateur portant l'orifice calibré, le prolongateur etant a une distance minimum t du plan P, alors les grandeurs D, H et t peuvent être telles que :

t ~1,5 H et 0,1 D < t ~ 0,15 D

13~6X4~

Les moyens d'irrigation pourront comporter au moins deux orifices calibrés adaptes à produire des jets fluides respectivement dirigés vers les deux organes tournants entre lesquels est défini le premier espace.

Les moyens d'irrigations pourront comporter au moins une buse ou duse d'irrigation comportant le ou les orifices calibres.

Le jet de fluide produit par l'orifice pourra avoir une orientation sensiblement tangentielle à la surface extérieure des organes tournants.

Les organes tournants pourront avoir sensiblement une forme conique, et l'orifice pourra etre constitue par des fentes dont la direction d'allongement pourra etre sensiblement parallèle à une genératrice d'un organe tournant.

L'outil selon l'invention pourra comporter trois organes tournants definissant trois espaces compris entre deux organes tournants adjacents, et pour lequel uniquement deux des espaces pourront etre equipes d'orifices calibres, un seul de ces espaces etant exempt de tout orifice d'injection de fluide.

L'axe du jet produit par l'orifice, lorsque celui-ci est supporté par une duse, pourra faire un angle compris entre 15 et 45 avec le plan P et prétérentiellement un angle égal à 30.

Lorsque l'orifice d'injection a une forme de fente, deux des parois definissant la forme interne de cette fente pourront appartenir à deux plans faisant entre eux un angle de 15.
Selon une variante l'outil peut comporter deux orifices calibres situes de part et d'autre d'un plan sensiblement parallele à l'axe de l'outil, contenant sensiblement l'axe de rotation d'un organe ~3062~

tournant. Ces or;f;ces pourront être adaptes a produire chacun un jet orientes vers l'organe tournant et dirigés vers le front de taille. De plus ces orifices pourront etre adaptés a produire des jets decales l'un par rapport à l'autre.

L'outil pourra comporter deux autres orifices calibres chacun desdits orifices étant adapté à produire un jet dirigé vers le front de taille et vers l'un desdits autres organes tournant respectivement.

Chacun des jets produit par les autres or;fices pourra être orienté
sensiblement à 60 par rapport a l'axe median défini par les deux organes tournant les plus proches dudit orifice.

L'un des jets decales pourra faire un angle voisin de 30 par rapport a l'axe median défini par les deux organes tournant les plus proches de cet orifice.

L'autre jet decalé pourra faire un angle voisin de thêta, thêta etant defini par :

~
tg(theta) = 3 4e - _ où D correspond au diamètre de l'outil comme cela à dejà et e correspond à la distance separant ledit orifice de la circonference du trou.

L'outil selon la présente invention est particulierement bien adapte pour le forage des terrains tendres et collants.

L'invention pourra etre bien comprise et tous ses avantages appara;tront clairement a la lecture de la description qui suit, 1~062~2 illustree par Les figures annexees dans lesquelles :

- la figure 1 represente, vu de dessous, l'outil selon l'invention;

- la figure 2 illustre schématiquement les grandeurs ayant une importance pour l'obtention de bonnes performances de l'outil;

- les figures 3 et 4 montrent l'outil vu en coupe, respectivement selon les lignes X'X et Y'Y de la figure 1, - la figure 5 illustre schematiquement la configuration d'un orifice calibré avec son conduit amont, - la figure 6 représente un mode de réalisation particulièrement efficace pour l'enlèvement des déblais, et - les figures 7 à 11 montrent les différentes variantes de réalisation et de fixation des duses;

L'outil represente sur les figures est composé d'un corps 1 muni de trois bras 2, dont deux seulement sont représentés aux figures 2 et 3.
Ces bras portent des organes d'attaque des terrains constitués, par exemple, par des rouleaux ou molettes coniques 3, 4 et 5 tournant sur des roulements non représentes et dont les axes sont inclinés par rapport a l'axe 6 de l'outil qui correspond a la direction d'avancement de lloutil. Chacun de ces organes tournants, qui peut être de tout type connu, comporte des dents, comme representé aux figures 1 et 2, capables d'attaquer les terrains au niveau du front de taille. La hauteur H, figure 2, désigne la hauteur des dents.

ba partie supérieure 7 du corps 1 (fig. 3 et 4~ est filetée pour assurer le raccordement de l'outil à un élément porte-outil qui l'entraîne en rotation.

13Q6~4X

Ce porte-outil, designé par la reference 8 (cf. figure 4), peut être constitué par la colonne de forage dans le cas du forage rotary.
Lorsque l'outil est directement entra;né en rotation par un moteur de fond, le porte-outil sera constitué par le rotor de ce moteur.

Dans le corps 1 de l'outil est menagee une cavité 9 qui communique directement avec la canalisation interieure de la colonne de forage.

Le corps de l'outil est pourvu de buses 10a et 11a ayant des orifices calibrés (10b, 10c, 11b et 11c) qui communiquent avec la cavité 9 par les passages 15 et 16. Les buses 10a et 11a sont placées dans deux espaces libres 10 et 11 entre les molettes, en étant de préférence situées sensiblement dans les plans bissecteurs de ces espaces. Les couples d'orifices (10b, 10c ; 11b, 11c) sont placés de telle sorte que, pendant le fonctionnement de l'outil, le fluide qui alimente la cavité 9 s'échappe par ces orifices (10b, 10c ; 11b, 11c) en formant deux paires de jets d'irrigation qui s'écoulent dans deux espaces libres 10 et 11 compris respectivement entre les organes tournants 4 et 5, 3 et 5 et dans un sens ayant une composante dirigée dans le sens de progression de l'outil en fonctionnement.
La référence 12 désigne le troisième espace libre compris entre les organes tournants 3 et 4 qui est exempt de tout orifice d'injection (cf. figures 1 et 4).

On dispose ainsi d'une zone de degagement de la boue chargee de déblais qui est évacuée rapidement du front de taille.

Les déblais sont ainsi evacués du front de taille aussitot qu'ils sont formés et, dans ces conditions, l'outil de forage reste propre en permanence, ce qui permet des vitesses de forage accrues et augmente la longevité des organes de l'outil (dentures, paliers, etc...). Ceci 130~ 42 est symbolisé par les fleches 17.

Ainsi que le montre la figure 3, Il peut être avantageux, que l'alimentation en fluide des orifices calibres (10b, 10c ; 11b, 11c), à partir de la cavite 9 se fasse par des conduits conçus de manière à
reduire le plus possible les pertes de charges du fluide notamment par un raccordement tangentiel à la paro; de la cavité 9.

Dans l'exemple de realisation illustre dans les figures, les orifices calibrés (10b, 10c ; 11b, 11c~ sont constitués par les orifices des buses 1Oa et 11a respectivement.

Les differents orifices peuvent etre orientés de telle sorte que les jets de fluide qui sortent de ces orifices atteignent les organes tournants dans le voisinage immediat du front de taille. Autrement dit, les axes des jets sortant des orifices calibrés peuvent etre sensiblement tangents aux organes tournants.

Ces orifices calibrés peuvent etre des orifices circulaires, mais de préférence ils auront une forme de fente, comme on peut le voir sur la figure 2.

Dans ces conditions, pour obtenir une efficacite maximale des jets d'irrigation, chacune de ces fentes est sensiblement parallele à la géneratrice de l'organe tournant atteinte par le jet de fluide, et agencee de facon que le jet agisse sur la plus grande longueur possible de cette géneratrice.

D'excellents résultats peuvent être obtenus en respectant les conditions suivantes :

A ¦ d ~ 1,8 H et ¦0,125 D ~d < 0,185 D

~306;~42 _ 9 _ ou/et t ~ 1,5 H et ¦ 0~1 D ~ t ~ 0,15 D

Les differentes lettres figurant dans les équat;ons ci-dessus correspondent aux définitions ci-dessous qui sont illustrées par la figure 2.

d : distance qui sépare le centre 18 d'un orifice de sortie 10b du plan P perpendiculaire à l'axe de l'outil 6 et qui passe par le sommet 19 des dents les plus proches du front de taille;

H : représente la hauteur des dents 20;
D : représente le diametre de l'outil. Sur la figure 2, on a representé D/2 qui correspond au rayon de l'outil, et t : la distance minimum entre la base de la buse ou du prolongateur et le plan P.

La figure 5 représente la section d'un orifice calibré 10b. Cet orifice est connecté à un conduit 21 ayant un axe central 22 debouchant en 18 au niveau de l'orifice 10b.
Les orifices 10b, 10cr 11b et 11c peuvent avoir une forme de fente, comme représente à la figure 2.

Les plans 23 et 24 définissant les parois du conduit 21 pourront faire entre eux un angle alpha (en lettre grecque sur la figure 5) faible, par exemple sensiblement voisin de 15.

L'angle bêta (en lettre grecque sur la figure 5) que fait l'axe 22 du conduit 10b, cet axe correspondant sensiblement à l'axe du jet, avec le plan P pourra etre avantageusement compris entre 15 et 45 et ~306242 préférentiellement égal a 30.

Lorsqu'une buse comporte deux orifices calibrés, les axes centraux de ces orifices pourront faire, avantageusement, entre eux un angle de 120 .
s ~;en entendu, les buses sont fixées de facon interchangeable et elles seront choisies par l'utilisateur en fonction du débit et de la pression du fluide d'irrigation.

Des modifications pourront être apportees sans pour autant sortir du cadre de La présente invention. Par exemple, comme le montre la figure

3, les buses d'irrigation telles que 10a pourront être portees par un prolongateur 13 fixé au corps de l'outil par tout moyen connu, tel qu'un clavetage ou un filetage 14. Ce prolongateur pourra faire partie integrante du corps de l'outil.

La figure 6 montre un mode de réalisation de l'outil particulierement favorable a l'évacuat;on des debLais. Cette figure correspond a une vue par dessus du front de taille.

La fleche 25 correspond au sens de rotation de l'outil.

Ce mode de réalisat;on est décrit sur la base d'un outil comportant trois organes tournant qui sont des cones 26, 27 et 28.

La figure 6 montre un mode de réalisation de l'outil particulièrement favorable a l'évacuation des déblais. Cette figure correspond à une vue par dessus du front de taille.

La fleche 25 correspond au sens de rotation de l'outil.

Ce mode de realisation est décrit sur la base d'un outil comportant trois organes tournant qui sont des cones 26, 27 et 28.

Les axes de rotation des cônes sur eux-mêmes sont désignes , ~301624~

respectivement par les réferences 29, 20 et 31.

Les réferences 32 et 33 désignent deux cluses comportant chacune deux orifices de forme oblongue respectivement 32b, 32c et 33b, 32c placées de part et d'autre du cône 26.
Les jets 34, 35, 36 et 37 produits par les orifices calibres 32b, 32c, 33b et 33c pourront être inclines à 60 (valeur moyenne par rapport à
l'axe du tube d'amenee au prolongateur du fluide lequel est parallele a l'axe de l'outil) ceci correspond à l'angle gamma sur la figure 5.
De préférence chaque jet pourra être tangent au cône qu'il asperge, au contact de l'outil et de la roche.

Dans le mode de realisation de la figure 6 l'orientation des jets dans un plan normal a l'axe de l'outil au niveau du front de taille est la suivante, chaque duse 32, 33 possède 2 orphees dont un 32b et 33b respectivement est oriente à environ 60 par rapport à l'axe médian 38 et 39 respectivement des deux cônes 26, 28 et 26, 27 respectivement, vers l'espace intercône 40 ne comportant pas de duses (espace compris entre les cônes 27 et 28 sur la figure 6).

En ce qui concerne les autres orifices 32c et 33c de chaque duse 32 et 33 respectivement, pour celui 32c situe entre les cônes entre les cônes 26 et 28, l'orientation du jet est à environ 30 de manière à
nettoyer les dents du cône 26 situées près du centre de l'outil, l'angle de 30 est a considérer par rapport à l'axe médian 38 des cônes 26 et 28.

Pour l'orifice 33c situé entre les cônes 26 et 27, l'orientation du jet est realiser suivant un angle Thêta defini par :

tg(Thêta) = 1 ~e _ __ 1306~9L~

de maniere a nettoyer efficacement le diamètre exterieur du trou en cours de forage, et les dents ou lames ou picots extrêmes du cône 1, e correspond à la distance qui sépare le centre de l'orifice calibre 33c de la circonference de l'outil.

D est le diametre de l'out;l comme cela a dejà ete ;ndiqué.

L'angle Theta est à considérer par rapport à l'axe médian 39 des cônes 26 et 27.

Si l'espace 40 entre les cônes 27 et 28 (selon fig. 1) comporte une duse celle-ci sera bouchee, ou l'emplacement sera evide et organisé de manière a favoriser un bon retour des déblais vers l'annulaire.

L'outil pourra etre équipé d'une duse centrale pour un bon nettoyage du dome et du centre de l'outil.

Les duses 41 (figure 7) pourront être fabriquées en carbure. Elles pourront etre placees a l'intérieur des tubes prolongateurs 42, afin d'assurer une protection contre les chocs.
La forme intérieure 43 est dans la partie inferieure, de forme conique ou parabolo;de de révolution, de façon a assurer une continuite parfaite de l'écoulement entre le tube et la duse.

La figure 8 represente un mode de realisation de la duse 32 et la figure 9 de la duse 33. Dans ce mode de réalisation l'angle Thêta fait 72 . La réference 44 désigne un repere de fixation.

La fixation des duses dans les tubes prolongateurs peut se faire soit 3D par brasage (duses non récuperables) soit mecaniquement (duses amovibLes).

La figure 10 représente une duse amovible 45. L'etanchéite de cette duse au tube prolongateur est assurée par un joint torique 46.

, ~30~2~2 Deux clavettes 47 et 48 (fig. 11) permettent de fixer la duse en position transervale suivant l'axe médian, une vis de blocage 49 avec teton peut assurer une securite de positionnement et evite tout phenomène vibratoire.

Cette vis avec teton prend appui sur une rondelle 50 en néoprene (ou tout autre elastomère) afin d'assurer les fonctions de frein, de devissage et de fluage de l'élastomère après serrage, engendre un calage du teton dans le logement dans la duse.

Claims (16)

1. - Outil pour le forage de trous dans des terrains, compor-tant:
. un corps d'outil destine à être entraîné en rotation par un porte-outil, une cavité étant ménagée dans ce corps pour recevoir à travers le porte-outil un fluide sous pression, . une pluralité d'organes tournants portés par le corps de l'outil et munis de dents d'attaque des terrains sur un front de taille, ces dents ayant une hauteur H, le diamètre dudit outil étant D, . des moyens d'irrigation adaptés à délivrer au moins un jet fluide d'irrigation dirigé vers le front de taille, ces moyens comportant au moins un orifice calibré implanté sur le corps de l'outil, communiquant avec la cavité du corps d'outils et débouchant dans un espace compris entre deux organes tournants adjacents, ledit orifice calibré étant adapté à
produire un jet fluide dirigé vers l'un des deux organes tournants entre lesquels est défini ledit espace, le centre dudit jet à une sortie dudit orifice étant situé à une distance d un plan perpendiculaire un axe de l'outil passant par un sommet des dents considérées du côté du front de taille, caractérisé en ce que D, H et d sont telles que:

d ? 1,8 H et 0,125 D ? d ? 0,185 D

2. - Outil selon la revendication 1, pour lequel lesdits moyens d'irrigation comportent un prolongateur portant ledit orifice calibré, ledit prolongateur étant à une distance minimum t dudit plan perpendiculaire, caractérisé en ce que les grandeurs D, H et t sont telles que:
t ? 1,5 H et 0,1 D < t < 0,15 D

3. - Outil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'irrigation comportent au moins deux orifices calibres adaptés à produire des jets fluides respectivement dirigés vers les deux organes tournants entre lesquels est défini ledit premier espace

4. - Outil selon la revendication 3, pour lequel les moyens d'irrigations comportent au moins une buse d'irrigation supportant ledit ou lesdits orifices calibrés.

5. - Outil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le jet fluide produit par ledit orifice a une orientation sensiblement tangentielle à une surface extérieure desdits organes tournants.

6. - Outil selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les organes tournants ont sensiblement une forme conique, caractérisé en ce que ledit orifice est constitué par des fentes sensiblement parallèles à une génératrice d'un desdits organes tournants.

7. - Outil selon la revendication 1 ou 2, comportant trois organes tournants définissant trois espaces compris entre deux organes tournants adjacents, caractérisé en ce que seulement deux desdits espaces sont équipés d'orifices calibrés.

8. - Outil selon la revendication la revendication 1 ou 2, pour lequel ledit orifice est supporté par une buse, caractérisé en ce que le jet produit par ledit orifice possède un axe ayant un angle avec ledit plan compris entre 15 et 45°.

9. - Outil selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit angle est de 30°.

10. - Outil selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit orifice a une forme de fente dont deux des parois définissant l'inté-rieur de ladite fente appartiennent à deux plans faisant entre eux sensiblement un angle de 15°.

11. - Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux orifices calibrés situés de part et d'autre d'un plan sensiblement parallèle à l'axe de l'outil.

12. - Outil selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits orifices sont adaptés à produire chacun un jet orienté vers ledit organe tournant et dirigé vers le front de taille et en ce que lesdits orifices sont adaptés à produire des jets décalés l'un par rapport à l'autre.

13.- Outil selon la revendication 11 comportant deux autres organes tournants, caractérisé en ce qu'il comporte deux autres orifices calibres chacun desdits orifices étant adapté à produire un jet dirigé
vers le front de taille et vers l'un desdits autres organes tournants respectivement.

14.- Outil selon la revendication 13, caractérisé en ce que chacun desdits jets produits par lesdits autres orifices est orienté
sensiblement à 60° par rapport à un plan défini par les deux organes tournants les plus proches dudit orifice.

15. - Outil selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'un desdits jets décales fait un angle voisin de 30° par rapport au plan défini par les deux organes tournants les plus proches dudit orifice.

16.- Outil selon la revendication 15 caractérisé en ce que l autre jet décalé fait un angle voisin de thêta thêta étant défini par :

tg (Thêta) = ou D correspond au diamètre de l'outil et e correspond à la distance séparant ledit orifice de la circonférence du trou.