L'invention concerne un dispositif de forage pour le forage d'un puits comprenant un corps principal conçu pour être entraîné en rotation autour d'un axe approximativement vertical, muni d'un conduit longitudinal pour le passage d'un fluide de forage sous pression ou pour permettre l'évacuation d'un fluide de forage sous pression véhiculant les débrits excavés, et des moyens pour être assemblés à une tige de forage, et comprenant également au moins un disque de forage disposé sur la partie extérieure et l'extrémité inférieure du corps de forage permettant de former un puits ayant une surface latérale approximativement cylindrique et un fond ayant une forme concave, le disque de forage étant muni d'éléments de coupe disposés sur au moins une surface annulaire du disque, l'axe de rotation du disque formant avec le sens de forage un angle droit ou aigu,
le point inférieur de coupe dudit disque étant radialement décalé par rapport à l'axe de rotation du corps de forage.
Pour un trépan de forage qu'il soit à disque ou non il est usuel d'utiliser des dents faites en carbure de tungstène qui résiste relativement bien aux chocs dus à la percussion nécessaire à l'avancement du forage au moyen par exemple d'un trépan à molettes coniques. Même pour des trépans sans mollettes dont l'action est plutôt abrasive, un impact relativement brutal peut subvenir lors du passage entre deux couches du sol de dureté différente, notamment à cause de la différence de vitesse. En effet, la vitesse de pénétration d'un trépan dans un sol relativement moux est plus grande que dans un sol dur, par exemple la roche.
Néanmoins, lorsque on effectue un forage, on ne connaît pas forcément la structure géologique en détail et en passant à grande vitesse d'une couche molle dans une couche dure avant que l'on ait le temps de diminuer la vitesse, les dents sont soumises à un impact relativement important.
Dans le but de limiter l'usure des dents en carbure de tungstène, on a proposé de munir d'un revêtement d'une épaisseur de 1 à 2 mm en diamant polycristallin qui présente une grande résistance à l'usure mais il est fragile et cassant. Ainsi, tant que la tête de forage n'est pas soumise à des à-coups dus aux irrégularités de dureté du sol, les dents en carbure de tungstène revêtues de diamant polycristallin donnent de très bons résultats notamment concernant la durabilité. Lorsque les dents sont soumises à une percussion, le revêtement en diamant polycristallin se détériore ce qui provoque une augmentation de la chaleur des dents en carbure de tungstène accélérant leur usure.
Théoriquement il est possible de faire une étude géologique du terrain avant de procéder au forage afin d'adapter la vitesse de la tête au fur et à mesure de l'avancement du forage pour éviter le choc dû au changement de couches géologiques.
La présente invention a pour but de proposer une tête de forage alliant les avantages des dents en diamant polycristallin et en évitant les inconvénients dus aux chocs auxquels est soumise une tête de forage.
Le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait que le dispositif de forage est muni de dents en diamant polycristallin disposées à des positions plus élevées que le point de coupe le plus bas dudit disque.
L'avantage de l'invention est le fait que les dents en diamant polycritallin ne sont pas les premières à être en contact avec le fond du puits foré, mais les dents inférieures du ou des disques de forage. Ainsi, les éventuels impacts dus aux changements de la dureté des couches géologiques, notamment lorsqu'on passe d'un sol moux à un sol plus dur, sont absorbés par les dents inférieures du ou des disques lesquelles, dans le cas présent, servent d'amortisseurs permettant ainsi de préserver les dents en diamant polycristallin qui se trouvent plus haut et qui en principe travaillent encore dans une couche plus molle.
Selon une variante d'exécution préférée, les des dents en diamant polycristallin sont situées dans une surface de l'extrémité inférieure du corps de forage qui est approximativement plane et perpendiculaire à l'axe de rotation.
Selon une autre variante d'exécution, les dents en diamant polycristallin se trouvent sur la face du ou des disques qui agit plutôt sur la paroi latérale du puits, tandis que les dents du fond du ou des disques fonctionnent également d'amortisseur en cas de changement de la dureté des couches traversées par la tête de forage.
Bien entendu, selon une variante d'exécution, il est également possible d'avoir des dents en diamant polycristallin aussi bien sur les faces du disque que sur la surface à l'extrémité inférieure du corps de forage.
La position du disque et notamment de son axe de rotation est de préférence décalée par rapport au sens de rotation vers l'arrière, permettant ainsi de faire tra vailler le quadrant inférieur arrière du disque facilitant ainsi le taux de pénétration comme ceci est décrit dans le brevet US-A 5 147 000.
L'invention sera décrite plus en détail à l'aide du dessin annexé.
La fig. 1 est une vue schématique de côté d'une tête de forage munie de trois disques de coupe.
Les fig. 2 et 3 sont des vues en perspective des deux têtes de forage selon l'invention.
A la fig. 1 on a représenté une tête de forage munie d'un corps de forage 1 dont la partie supérieure comprend une partie 2 filetée, destinée à être engagée à l'extrémité d'une tige de forage. Sur la face extérieure de la partie inférieure du corps 1, on a disposé trois disques de coupe 3, 4, 5 dont les axes de rotation se trouvent, dans le cas présent, dans une position légèrement inclinée par rapport au plan horizontal. Ces disques sont munis au moins sur leur périphérie de dents 6 pour permettre de découper le fond et les parois du puits de forage. Ces dents sont en principe en carbure de tungstène.
Le corps 1 est en principe parcouru par un conduit dans le sens axial pour permettre soit d'amener un fluide de forage sous pression qui peut être de l'eau ou de la boue ou de l'air, soit pour l'évacuation avec un fluide de forage des débris. Ce conduit n'est pas représenté sur cette figure, néanmoins on peut se référer au brevet US-A 5 147 000 qui décrit en détail un tête de forage avec un tel conduit.
Sur la face inférieure de la tête 1 et dans une surface approximativement horizontale 7, sont disposées des dents 8 qui sont en diamant polycristallin. Les extrémités de ces dents se trouvent dans un plan situé au-dessus des dents inférieures des trois disques 3, 4 et 5. Sur le dessin cette différence a été accentuée, mais en principe elle n'est que de quelques mm.
Pendant le forage, les dents de la partie inférieure de chaque disque sont les premières en contact avec le fond, tandis que les dents 8 en diamant polycristallin arrivent au même niveau ultérieurement. Ainsi, s'il y a un changement dans la dureté des couches géologiques et, notamment, si l'on passe d'une couche relativement tendre, vers une couche plus dure, le choc auquel est soumise la tête, notamment à cause de la vitesse qui est plus rapide dans la couche tendre, est absorbé par les dents inférieures 6 des trois disques 3, 4 et 5. Ainsi, lorsque les dents 8 viennent en contact avec la même couche, le choc a été absorbé et la vitesse de rotation a pu être diminuée suite audit choc qui constitue un avertissement que la vitesse doit être diminuée.
A la fig. 2 nous avons représenté une tête de forage 10 munie également de moyens 20 pour être attachée à l'extrémité d'une tige de forage sur la face latérale du corps sont fixés trois disques 30, 40, 50 dont les axes de rotation forment un angle aigu avec l'axe de rotation de la tête de forage. Les disques sont fixés de sorte que leur point inférieur se trouvent décalés par rapport à la prolongation de l'axe de rotation de la tête de forage 10. Chaque disque est muni de deux dispositions annulaires des dents, une première contenant des dents 60 situées près de la périphérie du disque et qui sont, en principe, en carbure de tungstène et une deuxième disposition annulaire se trouvant vers la partie du disque faisant face à la paroi du puits comprenant des dents 61 en diamant polycristallin.
Les dents inférieures de chacune des dispositions annulaires comprenant des dents 61 en diamant polycristallin se trouvent à une position plus élevée par rapport aux dents 60 inférieures situées à la périphérie des disques, ainsi ces dents de la périphérie absorbent les éventuels chocs lors de modifications de couches géologiques et protègent les dents 61 de ces chocs. Il est évident que sur la face inférieure 70 de la tête de forage 10, on peut également disposer des dents en diamant polycristallin 80 pour permettre de couper la partie du rocher qui n'est pas atteinte par les dents inférieures de chacun des disques 30, 40, 50.
Dans le but d'accélerer la vitesse de forage, les axes de rotation de chacun des disques 30, 40, 50, 60 sont décalés vers l'arrière par rapport au sens de rotation de la tête de forage comme ceci est décrit en détail dans le US-A 5 147 000.
La tête de forage représentée à la fig. 3 est identique à celle de la fig. 2 à l'exception de la partie supérieure qui est munie d'un collier 101 qui peut être muni de dents en tungstène ou en diamant polycristallin ou les deux et dont le but et d'assurer la jauge du diamètre du puits de forage. On a utilisé les mêmes références que pour la fig. 2 pusqu'il s'agit d'éléments identiques.
Il est également à relever que les disques 30, 40, 50 peuvent être munis d'autres dispositions annulaires des dents, soit sur la partie faciale, soit sur la partie se trouvant entre la périphérie et le corps 10 comme ceci est décrit également dans le US-A 5 147 000.
En résumé, le but de l'invention, à savoir tirer profit des qualités de résistance à l'usure des dents en diamant polycristallin est obtenue en disposant ces dents sur des surfaces se trouvant légèrement plus haut que la partie inférieure des disques qui sont munis sur leur périphérie, donc sur les parties qui seront les premières en contact avec le fond d'un puits, des dents en carbure de tungstène ou similaire permettant de recevoir et d'absorber les éventuels chocs auxquels est soumise la tête de forage évitant ainsi aux dents en diamant polycristallin de subir ces chocs qui auraient pour conséquence leur destruction.
The invention relates to a drilling device for drilling a well comprising a main body designed to be driven in rotation about an approximately vertical axis, provided with a longitudinal conduit for the passage of a drilling fluid under pressure. or to allow the evacuation of a pressurized drilling fluid conveying the excavated debris, and means for being assembled to a drill rod, and also comprising at least one drilling disc disposed on the external part and the lower end of the drilling body making it possible to form a well having an approximately cylindrical lateral surface and a bottom having a concave shape, the drilling disc being provided with cutting elements arranged on at least one annular surface of the disc, the axis of rotation of the disc forming with the direction of drilling a right or acute angle,
the lower cutting point of said disc being radially offset with respect to the axis of rotation of the drilling body.
For a drill bit whether disc or not it is usual to use teeth made of tungsten carbide which resists relatively well to shocks due to the percussion necessary for the advancement of drilling by means for example of a tapered bit. Even for drill bits without rollers, the action of which is rather abrasive, a relatively brutal impact can occur when passing between two layers of soil of different hardness, in particular because of the speed difference. Indeed, the speed of penetration of a drill bit in relatively soft soil is greater than in hard soil, for example rock.
However, when drilling, we do not necessarily know the geological structure in detail and passing at high speed from a soft layer to a hard layer before there is time to decrease the speed, the teeth are subjected has a relatively large impact.
In order to limit the wear of tungsten carbide teeth, it has been proposed to provide a coating with a thickness of 1 to 2 mm in polycrystalline diamond which has great wear resistance but is fragile and brittle. Thus, as long as the drilling head is not subjected to jolts due to irregularities in the hardness of the soil, the tungsten carbide teeth coated with polycrystalline diamond give very good results, particularly with regard to durability. When the teeth are subjected to impact, the polycrystalline diamond coating deteriorates which causes an increase in the heat of the tungsten carbide teeth accelerating their wear.
Theoretically it is possible to make a geological study of the ground before proceeding with drilling in order to adapt the speed of the head as the drilling progresses to avoid the shock due to the change of geological layers.
The present invention aims to provide a drilling head combining the advantages of polycrystalline diamond teeth and avoiding the drawbacks due to the shocks to which a drilling head is subjected.
The device according to the invention is characterized in that the drilling device is provided with polycrystalline diamond teeth disposed at positions higher than the lowest cutting point of said disc.
The advantage of the invention is the fact that the polycrystalline diamond teeth are not the first to be in contact with the bottom of the drilled well, but the lower teeth of the drilling disc (s). Thus, the possible impacts due to changes in the hardness of the geological layers, especially when moving from soft soil to harder soil, are absorbed by the lower teeth of the disc (s) which, in this case, serve to shock absorbers thus preserving the polycrystalline diamond teeth which are higher and which in principle still work in a softer layer.
According to a preferred embodiment, the teeth of polycrystalline diamond are located in a surface of the lower end of the drill body which is approximately planar and perpendicular to the axis of rotation.
According to another alternative embodiment, the teeth in polycrystalline diamond are located on the face of the disc or discs which acts rather on the side wall of the well, while the teeth of the bottom of the disc or discs also function as a shock absorber in the event of change in the hardness of the layers crossed by the drilling head.
Of course, according to an alternative embodiment, it is also possible to have polycrystalline diamond teeth both on the faces of the disc and on the surface at the lower end of the drilling body.
The position of the disc and in particular of its axis of rotation is preferably offset with respect to the direction of rotation towards the rear, thus allowing the rear lower quadrant of the disc to be worked, thus facilitating the penetration rate as described in the US-A patent 5,147,000.
The invention will be described in more detail using the attached drawing.
Fig. 1 is a schematic side view of a drilling head provided with three cutting discs.
Figs. 2 and 3 are perspective views of the two drilling heads according to the invention.
In fig. 1 shows a drilling head provided with a drilling body 1, the upper part of which comprises a threaded part 2, intended to be engaged at the end of a drilling rod. On the outer face of the lower part of the body 1, three cutting disks 3, 4, 5 have been arranged, the axes of rotation of which are, in the present case, in a position slightly inclined relative to the horizontal plane. These discs are provided at least on their periphery with teeth 6 to allow cutting the bottom and the walls of the wellbore. These teeth are in principle made of tungsten carbide.
The body 1 is in principle traversed by a conduit in the axial direction to allow either to bring a drilling fluid under pressure which can be water or mud or air, or for the evacuation with a debris drilling fluid. This pipe is not shown in this figure, however reference can be made to US-A 5,147,000 which describes in detail a drilling head with such a pipe.
On the underside of the head 1 and in an approximately horizontal surface 7 are arranged teeth 8 which are made of polycrystalline diamond. The ends of these teeth are in a plane located above the lower teeth of the three discs 3, 4 and 5. In the drawing this difference has been accentuated, but in principle it is only a few mm.
During drilling, the teeth of the lower part of each disc are the first in contact with the bottom, while the teeth 8 of polycrystalline diamond arrive at the same level later. Thus, if there is a change in the hardness of the geological layers and, in particular, if one passes from a relatively soft layer, towards a harder layer, the shock to which the head is subjected, in particular because of the speed which is faster in the soft layer, is absorbed by the lower teeth 6 of the three discs 3, 4 and 5. Thus, when the teeth 8 come into contact with the same layer, the shock has been absorbed and the speed of rotation may have been reduced following the impact shock, which constitutes a warning that the speed must be reduced.
In fig. 2 we have shown a drilling head 10 also provided with means 20 for being attached to the end of a drilling rod on the lateral face of the body are fixed three discs 30, 40, 50 whose axes of rotation form an angle acute with the axis of rotation of the drilling head. The discs are fixed so that their lower point is offset relative to the extension of the axis of rotation of the drilling head 10. Each disc is provided with two annular arrangements of the teeth, a first containing teeth 60 located near from the periphery of the disc and which are, in principle, made of tungsten carbide and a second annular arrangement located towards the part of the disc facing the wall of the well comprising teeth 61 of polycrystalline diamond.
The lower teeth of each of the annular arrangements comprising teeth 61 of polycrystalline diamond are in a higher position relative to the lower teeth 60 situated at the periphery of the discs, thus these teeth of the periphery absorb any shocks during modifications of layers. and protect the teeth 61 from these shocks. It is obvious that on the lower face 70 of the drilling head 10, it is also possible to have polycrystalline diamond teeth 80 to allow cutting the part of the rock which is not reached by the lower teeth of each of the discs 30, 40, 50.
In order to accelerate the drilling speed, the axes of rotation of each of the discs 30, 40, 50, 60 are offset rearward relative to the direction of rotation of the drilling head as described in detail in US-A 5,147,000.
The drill head shown in fig. 3 is identical to that of FIG. 2 with the exception of the upper part which is provided with a collar 101 which can be provided with tungsten or polycrystalline diamond teeth or both and the purpose of which is to ensure the gauge of the diameter of the wellbore. The same references were used as for FIG. 2 since they are identical elements.
It should also be noted that the discs 30, 40, 50 can be provided with other annular arrangements of the teeth, either on the facial part, or on the part lying between the periphery and the body 10 as is also described in the US-A 5,147,000.
In summary, the object of the invention, namely to take advantage of the wear resistance qualities of polycrystalline diamond teeth, is obtained by placing these teeth on surfaces slightly higher than the lower part of the discs which are provided on their periphery, therefore on the parts which will be the first in contact with the bottom of a well, tungsten carbide teeth or the like making it possible to receive and absorb any shocks to which the drilling head is subjected, thus avoiding polycrystalline diamond teeth to undergo these shocks which would result in their destruction.