EP0017518B1 - Foreuse rotative et procédé de foration à l'aide de cette foreuse - Google Patents

Foreuse rotative et procédé de foration à l'aide de cette foreuse Download PDF

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EP0017518B1
EP0017518B1 EP80400293A EP80400293A EP0017518B1 EP 0017518 B1 EP0017518 B1 EP 0017518B1 EP 80400293 A EP80400293 A EP 80400293A EP 80400293 A EP80400293 A EP 80400293A EP 0017518 B1 EP0017518 B1 EP 0017518B1
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EP
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drilling
high pressure
bit
hole
fluid under
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EP80400293A
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Georges M. Cagnioncle
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Cocentall Ateliers De Carspach Sa Te Mulhouse F
Original Assignee
CONSTRUCTION DE MATERIELS DE MINES SA
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/12—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor using drilling pipes with plural fluid passages, e.g. closed circulation systems
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/36—Percussion drill bits
    • E21B10/38—Percussion drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/60—Drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/18—Drilling by liquid or gas jets, with or without entrained pellets

Definitions

  • the invention relates to a drilling method for drilling semi-hard, hard or abrasive rocks using rotary drilling machines comprising a drilling rod with a cutting edge formed by a cutting body provided with inserts.
  • the invention also relates to a new rotary drilling machine.
  • Rotary drills can be used for rocks whose hardness is less than 800 bars and whose abrasiveness is zero, such as limestone and marl.
  • these devices are not efficient enough and we are led to use hammers or hammer drills.
  • hammers or hammer drills which associate a strike with drilling, are indeed more powerful but they are much more complex therefore of a higher cost and their noisier operation causes a noticeably greater annoyance for the users.
  • This fluid is generally water, used under a pressure of the order of 0-40 bars or air, used under a pressure close to 5 bars.
  • the invention relates to a drilling method for drilling semi-hard, hard or abrasive rocks using rotary drills comprising a drilling rod with a cutting edge constituted by a cutting edge body provided with plates, characterized in that the he cutting action of the inserts is combined at a given point in the drilling hole with that of fluid jets under very high pressure from 1000 to 4000 bars directed parallel to the drilling axis.
  • the invention also relates to a new rotary drilling machine comprising a drilling rod with a cutter constituted by a cutter body provided with inserts characterized in that the cutter provided with inserts is drilled with at least one micrometric hole of 1 to 50 microns for injecting the fluid under very high pressure from 1000 to 4000 bar.
  • the body of the cutter also has a larger lateral orifice (1 to 8 mm for example) allowing the injection of a fluid under low pressure.
  • This fluid can be air or water. In the case of water it is generally used under a pressure of 0-40 bars, in the case of air under a pressure close to 5 bars.
  • This additional injection is mainly intended for the transport, inside the hole of drilling of the rock particles which come from the cut operated by the combined action of the plates of the cutter and the jets of fluid under very high pressure.
  • the flow rate of the fluid at very high pressure from 5 to 251 / min, is indeed insufficient to ensure the rapid evacuation of the cutting dust, an essential condition for carrying out rapid drilling of the borehole.
  • the invention also relates to a new drilling rod comprising means for supplying the fluid under low pressure and the fluid under very high pressure.
  • the drilling rod comprises two concentric tubes, the central tube serving to supply the cutter with liquid under very high pressure and the external tube supplying it with fluid under low pressure.
  • the drill rod is supplied by a double injection device.
  • the cutting edge 1 as shown in FIG. 1 is of the skirted model. Any other classic model can be used. It is equipped with at least one size 2 wafer, for example made of tungsten carbide or other material having a very high hardness.
  • the inserts When the inserts are 2, 3 or 4 in number, they are generally arranged symmetrically with respect to the axis of the cutter.
  • the most common devices such as that shown in FIG. 2, comprise three plates arranged at 120 degrees but it is also possible, for example, to have two plates at 180 ° from one another or four plates at 90 °.
  • Each of these plates is pierced with at least one micrometric hole 3 along the drilling edge, this (these) hole (s) being intended for the injection of water under high pressure.
  • Each of the inserts is also preceded by a larger orifice 4 (of the order of 1-8 mm) drilled in the body of the cutter and located at the lower chip release part, intended for the injection of a fluid. under low pressure.
  • the micrometric holes are drilled in the body of the cutter and in front of the insert in the direction of rotation, the position of the orifice for injecting the fluid under low pressure. being unchanged.
  • FIGs 4 and 5 show in more detail the supply of the cutting edge by the fluids.
  • the micrometric holes are shown at 23, as drilled in the thickness of the plates. These holes are supplied by line 22, which is itself connected to the central tube 30 of the drill rod.
  • the cutter is fixed for example by screwing on the external tube 31 but it is supported on the internal tube 30 by means of the joint 33.
  • a device 32 of the star type for example makes these two tubes integral with one of the 'other.
  • the drill rod shown in Figure 6 consists of two concentric tubes 30 and 31.
  • the central tube 30 of small diameter is intended for the transport of water under very high pressure.
  • the external tube 31 is intended for transporting the fluid under low pressure.
  • the dimensions of these tubes vary according to the dimensions of the hole to be drilled.
  • the external tube generally has an external diameter of 25-27 mm and the internal tube a diameter of the order of 7-8 mm.
  • the outer tube generally has an outer diameter of around 90 mm and the inner tube a diameter of around 20 mm.
  • the two tubes are made integral by means of a suitable fixing or clamping device, for example a star device 32 as shown in FIG. 7.
  • the two tubes are guided in the center by the shoes 34.
  • the ends of the external tube 31 are threaded so that the rod can adapt to the hub of the drill at its rear part (see FIG. 8) and receive the cutting edge at its front part.
  • the drilling machine shown in FIG. 8 is essentially composed of a rotating hub 40 equipped with a double injection device. This hub is rotated by pinions 41 and 42 driven by a hydraulic motor 43. Water under high pressure is introduced into the hub 40 via a needle 45 of noble steel welded to the plate 46. This needle is supplied by a hose connected at 44 on the plate. The seal between the needle and the hub is achieved by a stack of felt seals 47 tightened by a cable gland 48. Holes 49 to evacuate any leaks are provided at the bottom of the plate and at the front of the hood.
  • the drilling rod constituted by the two concentric tubes 30 and 31.
  • the high pressure injection is thus in this way connected to the internal tube 30 which is itself maintained by the external tube 31 screwed into the hub, the seal being provided by the seal 33.
  • the front casing of the drilling machine is equipped with a floating ring 50 supported by seals 52.
  • the floating ring is guided on the hub and the seal is ensured by the seals 51.
  • the studs 54 ensure the fixing of the cover. 53.
  • the injection fluid circulates through the cover 53 then in the ring 51 and the hub 40 through the orifice 55.
  • the fluid injected under low pressure moves in the annular section between tubes 30 and 31.
  • the oil supply ports for the engine and the injection ports are the oil supply ports for the engine and the injection ports.
  • the engine oil is supplied through the orifice 60 while the return of this oil is carried out through the orifice 61.
  • An orifice 62 is provided for the drainage of any engine oil leaks.
  • the injection of low pressure fluid is carried out through the orifice 63 while the orifice 44 is used for the introduction of water under very high pressure.
  • the platelets and the film of high pressure water coming from micrometric hole (s) are used for cutting.
  • low pressure water is used as the secondary injection fluid, it is used both for the removal of dust and for its removal from the hole.

Description

  • L'invention concerne un procédé de foration permettant de forer des roches semi-dures, dures ou abrasives à l'aide de foreuses rotatives comportant une tige de foration avec un taillant constitué par un corps de taillant muni de plaquettes. L'invention concerne également une nouvelle foreuse rotative.
  • Actuellement pour forer dans les mines, carrières ou autres terrains similaires les trous destinés à l'exploitation des roches ou à la reconnaissance des terrains, ces trous ayant généralement des diamètres de 30-200 mm, on dispose de deux types de foreuses, le choix entre ces deux types de foreuses étant dicté par la nature des roches.
  • Pour les roches dont la dureté est inférieure à 800 bars et dont l'abrasivité est nulle, telles que calcaire et marne par exemple, on peut utiliser des foreuses rotatives. Cependant pour les roches dont la dureté est plus élevée et dont l'abrasivité est importante, telles que grès et granit par exemple, ces appareils ne sont pas assez performants et l'on est amené à utiliser des marteaux percutants ou des foreuses rotopercutantes. Celles-ci, qui associent une frappe à la foration, sont en effet plus puissantes mais elles sont beaucoup plus complexes donc d'un coût plus élevé et leur fonctionnement plus bruyant occasionne une gêne sensiblement plus grande pour les utilisateurs.
  • Dans les deux cas, la roche est attaquée par des taillants généralement renforcés par des plaquettes en carbure de tungstène.
  • Dans les deux cas également, l'évacuation des poussières formées au cours de l'opération de foration est assurée le plus souvent par des injections d'un fluide introduit dans le trou par l'intermédiaire des tiges de foration. Ce fluide est généralement de l'eau, utilisée sous une pression de l'ordre de 0-40 bars ou de l'air, utilisé sous une pression voisine de 5 bars.
  • Pour rendre la foration plus efficace, on a songé à effectuer une foration au jet dans laquelle l'élément de foration proprement dite serait constituée par un jet d'eaù sous très forte pression, pouvant aller jusqu'à 4000 bars. Dans la pratique cependant, cette méthode n'est pas utilisée. D'une part en effet, elle s'accompagne d'une dépense d'énergie considérable pour la mise sous pression du jet de fluide. D'autre part, l'emploi de ce jet ne conduit pas à des résultats homogènes, les parties de roche moins dures étant attaquées préférentiellement. Un tel procédé est par exemple décrit dans le brevet US-A-3112800. Selon ce procédé les jets faillent, seuls, une couronne tandis que le noyau à l'intérieur de la couronne est broyé à l'aide de cônes. Les cônes et les jets agissent en des points différents du trou de forage.
  • L'invention concerne un procédé de foration permettant de forer des roches semi-dures, dures ou abrasives à l'aide de foreuses rotatives comportant une tige de foration avec un taillant constitué par un corps de taillant muni de plaquettes caractérisé par le fait que l'action de coupe des plaquettes est conjuguée en un point donné du trou de foration à celle de jets de fluide sous une très haute pression de 1000 à 4000 bars dirigés parallèlement à l'axe de foration.
  • Selon ce procédé les taillants et les jets de fluide agissant en un même point du trou de foration la puissance de coupe est améliorée et l'usure des plaquettes est plus faible. Les jets de fluide protègent les plaquettes.
  • L'invention concerne également une nouvelle foreuse rotative comportant une tige de foration avec un taillant constitué par un corps de taillant muni de plaquettes caractérisé par le fait que le taillant muni de plaquettes est percé d'au moins un trou micrométrique de 1 à 50 microns pour l'injection du fluide sous très haute pression de 1000 à 4000 bars.
  • Ces trous permettent de débiter de 5 à 25 I/mn. Le fluide utilisé est plus géneralement de l'eau.
  • Selon l'invention le corps du taillant comporte également un orifice latéral plus grand (1 à 8 mm par exemple) permettant l'injection d'un fluide sous basse pression. Ce fluide peut être de l'air ou de l'eau. Dans le cas de l'eau il est généralement utilisé sous une pression de 0-40 bars, dans le cas de l'air sous une pression voisine de 5 bars. Cette injection supplémentaire est principalement destinée au transport, à l'intérieur du trou de foration des particules de roche qui proviennent de la coupe opérée par l'action conjuguée des plaquettes du taillant et des jets de fluide sous très haute pression. Le débit du fluide à très haute pression, de 5 à 251/mn, est en effet insuffisant pour assurer l'évacuation rapide des poussières de coupe, condition indispensable pour effectuer une foration rapide du trou de mine.
  • L'invention concerne également une nouvelle tige de foration comportant des moyens d'amenée du fluide sous basse pression et du fluide sous très haute pression. La tige de foration comporte deux tubes concentriques, le tube central servant à l'alimentation du taillant en liquide sous très haute pression et le tube externe l'alimentant en fluide sous basse pression. La tige de foration est alimentée par un dispositif de double injection.
  • Les caractéristiques de la présente invention ressortiront plus en détail de la description suivante, avec référence aux dessins annexés sur lesquels:
    • - la figure 1 est une vue en élévation d'un taillant selon l'invention.
    • - la figure 2 est une vue de dessus d'un mode de réalisation du taillant selon l'invention.
    • - la figure 3 est une vue de dessus d'un autre mode de réalisation du taillant selon l'invention.
    • - la figure 4 est une demi-coupe selon B-B d'un taillant selon l'invention.
    • - la figure 5 est un demi-coupe selon C-C d'un taillant selon l'invention.
    • - la figure 6 est une coupe longitudinale suivant A-A d'une tige de foration selon l'invention.
    • - la figure 7 est une vue de dessus de la tige de la figure 6.
    • - la figure 8 est une vue en élévation de la foreuse avec demi-coupe supérieure.
  • Le taillant 1 tel que représenté sur la figure 1 est du modèle à jupe. Tout autre modèle classique peut être utilisé. Il est équipé d'au moins une plaquette de taille 2, par exemple en carbure de tungstène ou autre matériau présentant une très grande dureté.
  • Lorsque les plaquettes sont au nombre de 2, 3 ou 4, elles sont généralement disposées symétriquement par rapport à l'axe du taillant. Les dispositifs les plus courants, tels que celui représenté sur la figure 2, comportent trois plaquettes disposées à 120 degrés mais on peut également disposer par exemple deux plaquettes à 180° l'une de l'autre ou quatre plaquettes à 90°.
  • Chacune de ces plaquettes est percée d'au moins un trou micrométrique 3 le long de l'arête de foration, ce(s) trou(s) étant destiné(s) à l'injection d'eau sous pression élevée. Chacune des plaquettes est également précédée d'un orifice plus grand 4 (de l'ordre de 1-8 mm) percé dans le corps du taillant et situé à la partie basse de dégagement des copeaux, destiné à l'injection d'un fluide sous basse pression.
  • Selon un autre mode de réalisation tel que représenté sur la figure 3, les trous micrométriques sont percés dans le corps du taillant et en avant de la plaquette dans le sens de rotation, la position de l'orifice d'injection du fluide sous basse pression étant inchangée.
  • Les figures 4 et 5 montrent plus en détail l'alimentation du taillant par les fluides. Sur la figure 4 les trous micrométriques sont figurés en 23, tels que percés dans l'épaisseur des plaquettes. Ces trous sont alimentés par la conduite 22, elle-même raccordée au tube central 30 de la tige de foration.
  • Sur la figure 5 on a représenté le second circuit d'injection à travers l'orifice 24 raccordé à l'espace annulaire situé entre les deux tubes 30 et 31 qui constituent la tige de foration.
  • Le taillant est fixé par exemple par vissage sur le tube 31 externe mais il s'appuie sur le tube interne 30 par l'intermédiaire du joint 33. Un dispositif 32 du type à étoiles par exemple rend ces deux tubes solidaires l'un de l'autre.
  • La tige de foration représentée sur la figure 6 est constituée de deux tubes concentriques 30 et 31. Le tube central 30 de petit diamètre est destiné au transport de l'eau sous très forte pression. Le tube externe 31 est destiné au transport du fluide sous basse pression. Les dimensions de ces tubes varient en fonction des dimensions du trou à forer. Ainsi par exemple pour un trou de 30 mm, 'lë tube externe a généralement un diamètre extérieur de 25-27 mm et le tube interne un diamètre de l'ordre de 7-8 mm. Pour des trous de 200 mm, le tube externe a généralement un diamètre extérieur de l'ordre de 90 mm et le tube interne un diamètre de l'ordre de 20 mm.
  • Les deux tubes sont rendus solidaires par l'intermédiaire d'un dispositif de fixation ou serrage convenable, par exemple un dispositif à étoiles 32 tel que représenté sur la figure 7. Les deux tubes sont guidés au centre par les sabots 34.
  • Les extrémités du tube externe 31 sont filetées de manière que la tige puisse s'adapter sur le moyeu de la foreuse à sa partie arrière (voir figure 8) et recevoir le taillant à sa partie avant.
  • La foreuse représentée sur la figure 8 est essentiellement composée d'un moyeu tournant 40 équipé d'un double dispositif d'injection. Ce moyeu est entraîné en rotation par des pignons 41 et 42 entraînés par un moteur hydraulique 43. L'eau sous haute pression est introduite dans le moyeu 40 par l'intermédiaire d'une aiguille 45 en acier noble soudée sur la platine 46. Cette aiguille est alimentée par un flexible raccordé en 44 sur la platine. L'étanchéité entre l'aiguille et le moyeu est réalisée par un empilage de joints en feutre 47 serrés par un presse-étoupe 48. Des trous 49 pour évacuer les fuites éventuelles sont prévus à la partie inférieure de la platine et à l'avant du capot.
  • A l'autre extrémité du moyeu 40 vient se fixer la tige de foration constituée par les deux tubes concentriques 30 et 31. L'injection haute pression est donc de cette façon raccordée au tube interne 30 qui est lui-même maintenu par le tube externe 31 vissé dans le moyeu, l'étanchéité étant assurée par le joint 33.
  • L'injection basse pression s'effectue latéralement. Dans ce but le carter avant de la foreuse est équipée d'une bague flottante 50 soutenue par des joints 52. La bague flottante se guide sur le moyeu et l'étanchéité est assurée par les joints 51. Les goujons 54 assurent la fixation du capot 53. Le fluide d'injection circule à travers le capot 53 puis dans la bague 51 et le moyeu 40 l'intermédiaire de l'orifice 55. Dans la tige de foration, le fluide injecté sous basse pression se déplace dans la section annulaire entre les tubes 30 et 31.
  • A la partie arrière de la foreuse sont situés les orifices d'alimentation en huile pour le moteur et les orifices d'injection. L'arrivée d'huile moteur s'effectue par l'orifice 60 tandis que le retour de cette huile s'effectue par l'orifice 61. Un orifice 62 est prévu pour le drainage des éventuelles fuites d'huile moteur.
  • L'injection de fluide basse pression s'effectue par l'orifice 63 tandis que l'orifice 44 sert à l'introduction d'eau sous très forte pression.
  • Lorsque l'appareil fonctionne, les plaquettes et le film d'eau sous haute pression provenant de(s) trou(s) micrométrique(s) servent à la coupe. Lorsqu'on utilise de l'eau sous basse pression comme fluide d'injection secondaire, celle-ci sert à la fois pour l'abattage des poussières et pour leur évacuation hors du trou.
  • Dans les cas de minerais solubles par contre, où ta quantité d'eau doit être limitée, on a de préférence recours à une injection d'air sous basse pression.
  • Celui-ci sert uniquement au nettoyage des trous forés, l'abattage des poussères étant assuré par l'eau sous haute pression projetée par le(s) trou(s) micrométrique(s).
  • Dans la foration des roches semi-dures et dures, l'emploi de ce nouveau type de foreuse rotative permet de réaliser une économie importante sur le coût des taillants et des tiges de foration au mètre foré. On diminue également le coût d'achat et d'entretien de la foreuse, par comparaison avec les machines rotopercutantes habituellement utilisées pour ce type d'opérations. Enfin le confort du travail est amélioré, le niveau sonore étant abaissé de 20 décibels environ.

Claims (8)

1. Procédé de foration permettant de forer des roches dures, semi-dures ou abrasives à l'aide de foreuses rotatives comportant une tige de foration avec un taillant (1) constitué par un corps de taillant muni de plaquettes (2) caractérisé par le fait que l'action de coupe des plaquettes (2) est conjuguée en un point donné du trou de foration à celle de jets de fluide sous une très haute pression de 1000 à 4000 bars dirigés parallélement à l'axe de foration.
2. Foreuse rotative comportant une tige de foration avec un taillant (1) constitué par un corps de taillant muni de plaquettes (2) caractérisé par le fait que le taillant (1) est percé d'au moins un trou micrométrique (3) de 1 à 50 microns pour l'injection du fluide sous très haute pression de 1000 à 4000 bars.
3. Foreuse selon la revendication 2 caractérisée par le fait que le(s) trou)s) micrométrique(s) (3) est (sont) percés sur l'arête de foration de la (ou des) plaquette(s) (2).
4. Foreuse selon la revendication 2 caractérisée par le fait que les trous micrométriques (3) est (sont) percé(s) dans le corps du taillant (1) en avant de la (ou des) plaquette(s) (2) dans le sens de la rotation.
5. Foreuse selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisée par le fait que le taillant (1) équipé d'au moins une plaquette (2) est aussi percé d'au moins un orifice d'injection (4) d'un fluide sous une basse pression allant jusqu'à 40 bars, cet orifice étant percé dans le corps du taillant et précédant la plaquette (2) dans le sens de rotation.
6. Foreuse selon la revendication 5 caractérisée par le fait que la tige de foration est constituée de deux tubes concentriques (30, 31), le tube central (30) communiquant avec le(s) trou(s) micrométrique(s) (3) pour le fluide sous très haute pression et le tube externe (31) communiquant avec l'orifice d'injection (4) du fluide sous basse pression.
7. Foreuse selon l'une quelconque des revendications 2 à 6 caractérisée par le fait qu'elle comporte un moyeu tournant (40) qui comprend un dispositif central pour l'alimentation de la tige de foration en fluide sous très haute pression et un dispositif latéral pour l'alimentation dans la tige de foration du fluide sous basse pression.
8. Foreuse rotative selon la revendication (7) caractérisée par le fait que le dispositif central comporte un système d'aiguille (45) et joints à empilage (47) et le dispositif d'injection latérale comporte un système de bague flottante (50) et joints (51).
EP80400293A 1979-03-08 1980-03-04 Foreuse rotative et procédé de foration à l'aide de cette foreuse Expired EP0017518B1 (fr)

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AT80400293T ATE1469T1 (de) 1979-03-08 1980-03-04 Drehbohrmaschine und bohrverfahren mittels dieser maschine.

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FR7905922 1979-03-08
FR7905922A FR2450936A1 (fr) 1979-03-08 1979-03-08 Nouvelle foreuse rotative a taillant protege par un film fluide a tres haute pression

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EP0017518A1 EP0017518A1 (fr) 1980-10-15
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EP80400293A Expired EP0017518B1 (fr) 1979-03-08 1980-03-04 Foreuse rotative et procédé de foration à l'aide de cette foreuse

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EP (1) EP0017518B1 (fr)
JP (1) JPS56491A (fr)
AT (1) ATE1469T1 (fr)
DE (1) DE3060765D1 (fr)
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