EP0169110B1 - Méthode et perfectionnement aux outils de forage comportant des passages d'eau permettant une grande efficacité du nettoyage du front de taille - Google Patents

Méthode et perfectionnement aux outils de forage comportant des passages d'eau permettant une grande efficacité du nettoyage du front de taille Download PDF

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EP0169110B1
EP0169110B1 EP85401184A EP85401184A EP0169110B1 EP 0169110 B1 EP0169110 B1 EP 0169110B1 EP 85401184 A EP85401184 A EP 85401184A EP 85401184 A EP85401184 A EP 85401184A EP 0169110 B1 EP0169110 B1 EP 0169110B1
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EP
European Patent Office
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tool
axis
nozzle
central part
oriented
Prior art date
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Expired
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EP85401184A
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German (de)
English (en)
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EP0169110A1 (fr
Inventor
Christian Bardin
Henri Cholet
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK 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
    • E21B10/602—Drill bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids the bit being a rotary drag type bit with blades

Definitions

  • the present invention relates to an improved rotary drilling tool, with great efficiency in cleaning the working face.
  • Rotary drilling tools comprising a body, a first end of which is connected to rotational drive means and the second end of which, which defines the cutting face, comprises a plurality of attack areas distributed around the the axis of the drill bit, being separated by radial zones for removing the cuttings which communicate at their periphery with the annular space surrounding the first end of the drill bit, behind the cutting face.
  • each of the bit attack areas comprises a plurality of ribs, or segments, of elongated shape, each of which has a face attack bearing a cutting element advantageously made of sintered diamond.
  • Each attack range has a row of irrigation nozzles opening along a radius of the working face, in front of the line of attack for this range, if we consider the direction of rotation thereof. on the waistline. These nozzles create irrigation jets flowing in a direction substantially parallel to the attack faces of the ribs, at a certain distance from these attack faces.
  • a disadvantage of the prior art lies in the fact that the distribution currently adopted for these jets is not favorable to good cleaning of the central part of the tool, which limits the performance in forward speed of the tool and increases wear.
  • the object of the present invention is to propose an improvement to the drilling tools so as to increase the performance thereof by a more efficient sweeping of the cuttings on the cutting face and more particularly in the central part, or central zone, of the tool.
  • the present invention can be applied to drilling tools or drill bits working by chip removal (blade tool) or by abrasion comprising water passages.
  • the first tools mentioned generally include polycrystalline synthetic diamond cutting elements, the second generally include natural diamonds.
  • This objective is obtained according to the present invention, by orienting at least one jet inclined preferentially towards the central part of the tool, the other jets not coming to interfere with this first jet.
  • speed the average value of the speed obtained by integrating the speeds over the shortest distance separating the tool from the geological formation.
  • the jets oriented preferably towards the central part of the tool must be positioned so that the vector obtained by the orthogonal projection on a plane perpendicular to the axis of the tool of the speed of flow in the central part of the tool is not zero. This vector will be called the effective speed vector.
  • This or these jets preferably oriented towards the central part of the tool will advantageously be associated with one or more jets whose flow preferably moves away from the central part of the tool, this or these jets not being on the line segment passing through the axis of the tool and the starting point of a jet preferentially oriented towards the central part of the tool; this line segment mentioned above is limited by the axis of the tool and by the starting point of the jet preferentially oriented towards the central part of the tool.
  • the present invention relates to a method improving the clearance of a rotary drilling tool, in particular on itself in operation, around a proper axis, or axis of the tool.
  • This tool comprises a body, a first end of which is adapted to be connected to rotational drive means and the second end of which defines the cutting face.
  • the second end has water passages.
  • the area of the second end adjacent to said axis constitutes the central part of the tool, the tool comprises at least one nozzle.
  • the central part, or central zone, of the tool is defined by the part of the tool close to the center of the tool itself is defined as being the intersection of the proper axis of the tool with the outer surface of the tool.
  • the method according to the invention is characterized in that said nozzle is positioned in a water passage to produce a flow oriented towards the central part of the tool, the vector obtained by the orthogonal projection on a plane perpendicular to the axis of the tool, the speed of said flow in the central part of the tool being non-zero at all points of the central part of the tool, said vector will be qualified as an effective speed vector as already mentioned previously.
  • the method according to the invention can be applied to the case of a tool comprising several nozzles, in which case these nozzles are positioned and dimensioned to produce a flow resulting in the center of the tool whose effective velocity vector is not zero in any point of the central part of the tool.
  • the or the nozzles are positioned so that there is at least one axis called the circulation axis belonging to the plane perpendicular to the axis of the tool.
  • the orthogonal projections on this axis of the different effective speed vectors of the central part of the tool are called traffic vectors and are oriented in the same direction.
  • said axis can be a curved line. But, preferably, it will be a straight axis passing through the axis of the tool.
  • the present invention also relates to a drilling tool for implementing the method and its variants described above.
  • This tool is characterized in that it comprises at least a first injection nozzle positioned in a first water passage of the tool, said nozzle comprising an injection channel whose axis is oriented substantially towards the central part. of the tool.
  • This nozzle is positioned so that there is at least one axis, called the circulation axis, belonging to said plane perpendicular to the axis of the tool.
  • the various circulation vectors obtained by the orthogonal projection on said circulation axis of the various effective speed vectors of the points of the central part are oriented in the same direction.
  • the tool according to the invention may comprise at least a second nozzle positioned in a second water passage located on the side of the tool opposite to that containing the first nozzle, said opposite side being defined by the portion of the tool located in the half-space delimited by a first plane passing through the axis of the tool, perpendicular to a second plane containing a point of the injection orifice of said first nozzle as well as the axis of the tool and not containing said first nozzle, said nozzle comprising an injection channel adapted to produce a flow substantially oriented in the direction opposite to that defined by the central zone of the tool.
  • the second injection nozzle can be positioned in a water passage located on the tool substantially in a half-plane belonging to the second plane, this half-plane being delimited by the axis of the tool and does not contain the first nozzle.
  • the tool can comprise several fluid injection nozzles having fluid injection channels whose axis is oriented towards the central zone of the tool. These nozzles being positioned in water passages located on the tool on the same side with respect to a plane passing through the axis of the tool.
  • the tool may comprise a third nozzle comprising a third channel, said third nozzle being positioned substantially in the vicinity of said first nozzle, the axis of said third channel being oriented substantially in the opposite direction to that of the first nozzle .
  • the drilling tool when it comprises a number n of water passages greater than or equal to three, it will comprise a number m of adjacent water passages between them two by two, each of these m passages comprising at minus an injection nozzle.
  • the injection channel of this nozzle being oriented towards the central part of the tool.
  • the number m is preferably between one and the whole part of the quotient of the number n by two.
  • At least one of the water passages not equipped with an injection nozzle having an axis channel oriented towards the central part of the tool can be equipped with at least an injection nozzle comprising a channel substantially oriented in the opposite direction to that defined by the central part of the tool.
  • the reference 1 designates, as a whole, the body of the drilling tool or drill bit according to the invention which will, for example, be made of special steel. At a first of its ends, this tool is suitable, to be connected to.
  • means for driving in rotation for example by means of a thread 2.
  • These means for driving the tool in rotation will comprise a tool holder whose bit is made integral, and which is part of the column rotary drilling, or which can be directly rotated by the rotor of a downhole motor.
  • the second end or head 3 of the drill bit has a face defining the cutting face of the tool, this face comprising a plurality of means 4 and 4a for destroying the formation to be drilled.
  • the reference 5 represents the axis of the tool and the reference 6 represents the central part or central zone, of the tool which can be delimited for example by the part of the surface of the second end of the tool included inside a cylinder whose axis coincides with the axis of the tool 5 and whose diameter is equal to the outside diameter of the tool divided by three.
  • the drill bit has water passages 7. To allow the cuttings to be cleaned and removed, a circulation of fluid is carried out.
  • the drilling fluid passes from the internal part of the drill bit to the annular external zone 8 (Fig. 3) lying between the cutting face and the surface of the tool by means of nozzles 9 which direct the fluid directly on the cutting face size following a trajectory f.
  • the cleaning of the cuttings and their evacuation is done by a circulation of the drilling fluid which is brought by the drill string to the interior cavity of the drill bit.
  • the fluid is then distributed by means of a borehole to at least a first nozzle 9 having a fluid injection channel whose axis 17 is oriented substantially towards the central zone 6 of the tool.
  • nozzle injection channel is understood to mean the part of the nozzle which will orient the direction of the jet, thus in FIG. 2, the channel of the nozzle 18 corresponds to the passage 19.
  • the axis 20 of the channel 19 of nozzle 18 can be defined as the direction resulting from the flow, or jet, produced by this channel 19.
  • the axis 20 of the channel 19 of the nozzle 18 is assumed to be oriented in the direction of flow produced by the nozzle, this direction is indicated in FIG. 2 by the arrow 22.
  • the fluid from the nozzle 9 is discharged through the annular 8 (Fig. 3) between the cutting face and the surface of the tool.
  • the drill bit 1 in FIG. 3 has a second nozzle 23 which has an axis 24 oriented towards the ring finger 8.
  • This second nozzle is located in a water passage 16 located on the side of the drill bit 25 opposite to that containing the first nozzle and which bears the reference 26.
  • the so-called opposite side 25 is defined by the portion of the tool situated in the half space delimited by a first plane passing through the axis of the tool perpendicular to a second plane containing a point of the injection orifice of the first nozzle 9 as well as the drill bit axis and which does not contain the first nozzle 9.
  • the tool of FIG. 3 which has an odd number of water passages, in this case five, has an additional nozzle 21 oriented preferentially towards the periphery of the tool and creates a flow directed respectively along the axis 35, the axis 35 being characterized by an angle j3 (the definition of this angle is given in the rest of this text), between 90 ° and 180 ° and which in the specific case of FIG. 3 is substantially equal to 150 °.
  • the axis 35 of the jet created by the nozzle 21 is oriented towards the leading face of the cutting blades, which represents a particularly advantageous configuration for cleaning these cutting blades.
  • the axis 24 of the nozzle 23 is characterized by an angle equal to 180 °.
  • This assembly consisting of nozzles 9, 21 and 23 creates in the central part of the tool a circulation of drilling fluid oriented substantially along the axis 17 of the first nozzle 9, while reducing the vortices.
  • the drill bit in FIG. 3 has a third nozzle 27 which can be supplied with drilling fluid by the same bore as that supplying the first nozzle 9.
  • the axis 28 of the channel of this third nozzle 27 is oriented substantially in the direction opposite to that of the first nozzle. It should be understood by this that the third nozzle 27 has a fluid injection channel which creates a flow moving away from the plane perpendicular to the axis 17 of the first channel.
  • the third nozzle 27 can be supplied by an independent bore, differ from that supplying the first nozzle 9.
  • the reference 11 represents the cutting face as it is machined by the tool.
  • Reference 12 represents the plane tangent to the working face at the point of impact of the jet on the latter.
  • the reference 13 represents the plane tangent to the cutting face at the point closest to the nozzle from which the jet f originates.
  • the reference 14 is the projection oriented in the direction of progression of the tool from the axis of the tool 5 on the plane 13.
  • the reference 15 designates the projection of the trajectory of the jet f at the outlet of the nozzle in projection on the plane 13.
  • ⁇ is the angle formed by the projections 14 and 15.
  • the angle j3 is calculated starting from the half-line AB or A is the point of intersection of the projections 14 and 15.
  • FIG. 6 represents a tool having an even number of water passages, in this case six. This tool has shown very good performance in terms of excavation capacity during experimental tests.
  • the jets used are jets inclined with respect to the working face, so that the angle a formed by the jet f with the plane tangent 12 to the working face at the point of impact of this jet is different from 90 °.
  • jet oriented preferentially towards the central part of the tool is used to refer to any jet coming from a nozzle external to this central part 6 and the projection of the trajectory on a plane perpendicular to the axis 5 of the tool is partly inside the projection on this plane of the central part 6 of the tool. Is also considered as a jet preferentially oriented towards the central part of the tool any jet from a nozzle inside this central part 6 and preferentially oriented towards the center of the tool.
  • a jet is called a jet oriented preferentially towards the central part of the tool when the angle p defined in FIG. 5 has a value less than 90 °.
  • the tool comprises a single oblong-shaped nozzle.
  • the plane of Figure 6 corresponds to a plane perpendicular to the axis of the tool.
  • the axis 38 represents the axis of circulation of the fluid.
  • the arrow 39 represents an effective velocity vector obtained by the orthogonal projection on the plane of the figure of a velocity vector of the flow in the central part of the tool.
  • the reference 40 designates the circulation vector obtained by the orthogonal projection of the effective speed vector 39 on the circulation axis 38.
  • the circulation vector 40 can be obtained directly by projecting the speed of the flow on the circulation axis 38 on a plane perpendicular to the circulation axis 38.
  • the jets f 1 and f 2 create, at the level of the central part of the tool 6, a privileged flow from the water passages 29 and 30 to the water passages 32 and 33 making it possible to efficiently evacuate the spoil being in this area.
  • the use of inclined jets makes it possible to have a high flow speed of the fluid in this zone, by limiting the loss of speed of the jet at the level of the jet impact on the face of size.
  • the jets f 3 and f 4 in the water passages 33 and 32 improve the efficiency of the technique, by facilitating the evacuation of the cuttings pushed by f 1 and f 2 towards the area tool annular.
  • jets f 3 and f 4 also inclined angles ⁇ 3 and a 4 respectively with respect to the cutting face are jets preferentially oriented towards the periphery of the tool.
  • jet oriented preferably towards the periphery of the tool is used to refer to any jet such that the preceding angle ⁇ defined is between 90 ° and 180 °.
  • the jets f s , f ⁇ , f 7 and f ⁇ also also inclined angles ⁇ 5 , ⁇ 6 , a 7 and “ 8 respectively with respect to the cutting face are preferably oriented towards the periphery of the tool.
  • the passage sections of the nozzles which will be denoted S l , S 2 , ..., S 2 may not all be identical.
  • each water passage may include zero, one, or more jets.
  • a water passage comprises several jets, one of which is preferably oriented towards the central part of the tool, this jet will be the one closest to the center of the tool, the center of the tool corresponds at the intersection of the outer surface of the second end of the tool with the axis of the tool 5.
  • the outlet section S of the nozzles can be circular, but can also have other shapes such as an oblong shape, the shape of a slot, etc.
  • a tool comprises only one nozzle, this will preferably be oriented towards the central part of the tool and will preferably have the form of a slot.
  • the application of the invention leads to the best efficiency when all the jets are inclined relative to the working face, but it retains its value when one or more jets are not inclined relative to the working face.
  • the value of the angle a for an inclined jet will advantageously be less than 45 °.
  • the value of the angle 13 for a jet preferentially oriented towards the central part of the tool will advantageously be less than 45 °.
  • the number of jets preferably oriented towards the central part of the tool will preferably be less than or equal to the whole part of half the number of water passages.
  • the jets preferably oriented towards the central part of the tool will preferably be located on the same side of a plane passing through the axis 5 of the tool, in order to prevent these jets from annihilating themselves in the central part of the tool.
  • the jets f 3 , f 4 , fs, f ⁇ , f 7 and f 8 which are not oriented towards the central part of the tool and whose function is in particular the cleaning of the surface of the tool in contact with the cutting face, this surface not including the central part of the tool, creates a centrifugal flow directed towards the cutting blades which is particularly effective for cleaning the tool and in particular its periphery.
  • the nozzles positioned on the tool can be removable or fixed, of identical or different section.
  • the fixed nozzles may be formed by a simple channel made directly in the body of the tool and having an appropriate inclination of the injection orifice.
  • the sum of the sections of the jets preferentially oriented towards the central part of the tool will preferably be greater than or equal to one third of the total section ST of passage of the nozzles placed on the tool and preferably less or equal to two-thirds of the ST section.
  • FIG. 7 represents a diagram showing the gain brought by the invention on the capacity of the drilling tool to evacuate the cuttings which it creates at the bottom of the wellbore.
  • the y-axis 35 of this diagram represents the capacity of a tool to remove spoil.
  • the abscissa axis 10 represents the time during which a drilling fluid was passed through the tool.
  • the reference 36 corresponds to the performance curve of a tool according to the present invention and the reference 37 corresponds to the performance curve of a tool according to the prior art.
  • the tool is placed in a cell simulating the bottom of the wellbore. Between the tool and the cell, a given volume V of sand simulating the cuttings is introduced.
  • a fluid is circulated at a given flow rate through the tool and, as a function of time, the volume of cuttings evacuated is recorded relative to the volume of cuttings initially placed in the cell.
  • the capacity of the tool to remove the cuttings corresponds to the ratio of the volume of cuttings removed to the initial volume of cuttings V.
  • the tool In the case of the tool according to the invention, the cuttings being quickly removed from the cutting face, the tool is therefore permanently in contact with the rock to be destroyed and not in contact with the cuttings it has just created. .
  • This has the consequence of increasing the speed of advance of the drilling tool and of avoiding the regrinding of the cuttings by this tool which would limit the effectiveness of the tool and would cause initial wear thereof.
  • the performance curve 37 of a tool according to the prior art substantially reaches a horizontal asymptote corresponding to a removal capacity of the cuttings of the order of 60%, which means that the cuttings remaining, ie close to 40% of the initial cuttings are very difficult to remove.

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Description

  • La présente invention concerne un outil de forage rotatif amélioré, à grande efficacité du nettoyage du front de taille.
  • On connaît déjà des outils de forage rotatifs comportant un corps dont une première extrémité se raccorde à des moyens d'entraînement en rotation et dont la seconde extrémité, qui délimite le front de taille, comporte une pluralité de plages d'attaque réparties autour de l'axe du trépan, en étant séparées par des zones radiales d'évacuation des déblais qui communiquent à leur périphérie avec l'espace annulaire entourant la première extrémité du trépan, en arrière du front de taille.
  • Dans certains outils de ce type, décrits par exemple dans la demande de brevet britannique publiée GB-A-2.047.308, chacune des plages d'attaque du trépan comprend une pluralité de nervures, ou segments, de forme allongée dont chacun a une face d'attaque porteuse d'un élément de coupe avantageusement constitué en diamant fritté.
  • L'ensemble des faces d'attaque d'une même plage forme une ligne d'attaque du sol. Chaque plage d'attaque comporte une rangée de buses d'irrigation débouchant le long d'un rayon du front de taille, en avant de la ligne d'attaque de cette plage, si l'on considère le sens de rotation de celle-ci sur le front de taille. Ces buses créent des jets d'irrigation s'écoulant dans une direction sensiblement parallèle aux faces d'attaque des nervures, à une certaine distance de ces faces d'attaque.
  • On sait également réaliser une amélioration du nettoyage du front de taille et de l'évacuation des déblais en positionnant des buses dont les jets sont inclinés par rapport au front de taille et percutent donc la paroi sous un angle d'incidence différent de 90°.
  • L'art antérieur peut être illustré par les brevets américains US-A-3.645.346, US-A-3.838.742 et 4.323.130.
  • Un inconvénient de l'art antérieur réside dans le fait que la répartition actuellement adoptée pour ces jets n'est pas favorable à un bon nettoyage de la partie centrale de l'outil, ce qui limite les performances en vitesse d'avancement de l'outil et en augmente l'usure.
  • L'objet de la présente invention est de proposer une amélioration aux outils de forage de manière à en accroître les performances par un balayage plus efficace des déblais sur le front de taille et plus particulièrement dans la partie centrale, ou zone centrale, de l'outil.
  • . La présente invention peut être appliquée à des outils de forage ou trépans travaillant par enlèvement de copeaux (outil à lames) ou par abrasion comportant des passages d'eau. Les premiers outils mentionnés comportent généralement des éléments de coupe en diamant synthétique poly- cristallin, les seconds comportent généralement des diamants naturels.
  • Cet objectif est obtenu selon la présente invention, en orientant au moins un jet incliné de façon préférentielle vers la partie centrale de l'outil les autres jets ne venant pas contrarier ce premier jet.
  • Dans le présent texte, on désigne généralement par vitesse, la valeur moyenne de la vitesse obtenue en intégrant les vitesses sur la plus courte distance séparant l'outil de la formation géologique.
  • Le ou les jets orientés préférentiellement vers la partie centrale de l'outil doivent être positionnés de façon que le vecteur obtenu par la projection orthogonale sur un plan perpendiculaire à l'axe de l'outil de la vitesse de l'écoulement dans la partie centrale de l'outil soit non nul. Ce vecteur sera dit vecteur de vitesse efficace.
  • A ce ou ces jets orientés préférentiellement vers la partie centrale de l'outil seront avantageusement associés un ou plusieurs jets dont l'écoulement s'éloigne de façon préférentielle de la partie centrale de l'outil, ce ou ces jets ne se trouvant pas sur le segment de droite passant par l'axe de l'outil et le point de départ d'un jet orienté préférentiellement vers la partie centrale de l'outil ; ce segment de droite sus-mentionné est limité par l'axe de l'outil et par le point de départ du jet orienté préférentiellement vers la partie centrale de l'outil.
  • Ainsi, la présente invention concerne une méthode améliorant le déblaiement d'un outil de forage tournant, notamment sur lui-même en fonctionnement, autour d'un axe propre, ou axe de l'outil. Cet outil comporte un corps dont une première extrémité est adaptée à se raccorder à des moyens d'entraînement en rotation et dont la seconde extrémité délimite le front de taille. La seconde extrémité comporte des passages d'eau. La zone de la seconde extrémité voisine dudit axe constitue la partie centrale de l'outil, l'outil comporte au moins une buse.
  • Plus exactement, la partie centrale, ou zone centrale, de l'outil est définie par la partie de l'outil voisine du centre de l'outil lui-même est défini comme étant l'intersection de l'axe propre de l'outil avec la surface extérieure de l'outil.
  • La méthode selon l'invention est caractérisée en ce que ladite buse est positionnée dans un passage d'eau pour produire un écoulement orienté vers la partie centrale de l'outil, le vecteur obtenu par la projection orthogonale sur un plan perpendiculaire à l'axe de l'outil de la vitesse dudit écoulement dans la partie centrale de l'outil étant non nul en tout point de la partie centrale de l'outil, ledit vecteur sera qualifié de vecteur de vitesse efficace comme cela a déjà été mentionné précédemment.
  • La méthode selon l'invention peut s'appliquer au cas d'un outil comportant plusieurs buses, dans ce cas ces buses sont positionnées et dimensionnées pour produire un écoulement résultant au centre de l'outil dont le vecteur de vitesse efficace est non nul en tout point de la partie centrale de l'outil.
  • Suivant la méthode selon l'invention, la ou Les buses sont positionnées de telle sorte qu'il existe au moins un axe dit axe de circulation appartenant au plan perpendiculaire à l'axe de l'outil. Les projections orthogonales sur cet axe des différents vecteurs de vitesse efficace de la partie centrale de l'outil sont appelés vecteurs de circulation et sont orientés dans le même sens.
  • Bien entendu, ledit axe peut être une ligne courbe. Mais, de préférence, il s'agira d'un axe droit passant par l'axe de l'outil.
  • La présente invention concerne également un outil de forage pour la mise en oeuvre de la méthode et de ses variantes exposées précédemment.
  • Cet outil est caractérisé en ce qu'il comporte au moins une première buse d'injection positionnée en un premier passage d'eau de l'outil, ladite buse comportant un canal d'injection dont l'axe est orienté sensiblement vers la partie centrale de l'outil. Cette buse est positionnée de telle sorte qu'il existe au moins un axe, dit axe de circulation, appartenant audit plan perpendiculaire à l'axe de l'outil. Les différents vecteurs de circulation obtenus par la projection orthogonale sur ledit axe de circulation des différents vecteurs de vitesse efficaces des points de la partie centrale sont orientés dans le même sens.
  • Selon une variante de réalisation, l'outil selon l'invention peut comporter au moins une deuxième buse positionnée dans un deuxième passage d'eau localisé sur le côté de l'outil opposé à celui contenant la première buse, ledit côté opposé étant défini par la portion de l'outil située dans le demi-espace délimité par un premier plan passant par l'axe de l'outil, perpendiculaire à un deuxième plan contenant un point de l'orifice d'injection de ladite première buse ainsi que l'axe de l'outil et ne contenant pas ladite première buse, ladite buse comprenant un canal d'injection adapté à produire un écoulement sensiblement orienté dans la direction opposée à celle définie par la zone centrale de l'outil.
  • Selon une autre variante, la deuxième buse d'injection peut être positionnée dans un passage d'eau localisé sur l'outil sensiblement dans un demi-plan appartenant au deuxième plan, ce demi-plan étant délimité par l'axe de l'outil et ne contient pas la première buse.
  • Selon une autre variante, l'outil peut comporter plusieurs buses d'injection de fluide ayant des canaux d'injection de fluide dont l'axe est orienté vers la zone centrale de l'outil. Ces buses étant positionnées dans des passages d'eau localisés sur l'outil d'un même côté par rapport à un plan passant par l'axe de l'outil.
  • Selon une autre variante, l'outil peut comporter une troisième buse comportant un troisième canal, ladite troisième buse étant positionnée sensiblement au voisinage de ladite première buse, l'axe dudit troisième canal étant orienté sensiblement dans le sens opposé à celui de la première buse.
  • Selon une autre variante, lorsque l'outil de forage comprend un nombre n de passages d'eau supérieur ou égal à trois, il comportera un nombre m de passages d'eau adjacents entre eux deux à deux, chacun de ces m passages comportant au moins une buse d'injection. Le canal d'injection de cette buse étant oriente vers la partie centrale de l'outil.
  • Le nombre m est compris de préférence entre un et la partie entière du quotient du nombre n par deux.
  • Suivant une autre variante de l'outil selon l'invention, au moins un des passages d'eau non équipés de buse d'injection ayant un canal d'axe orienté vers la partie centrale de l'outil pourra être équipé d'au moins une buse d'injection comportant un canal sensiblement orienté dans le sens opposé à celui défini par la partie centrale de l'outil.
  • La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la description qui suit d'un exemple particulier, nullement limitatif, illustré par les figures ci- annexées parmi lesquelles :
    • - la figure 1 représente un outil de forage comportant des améliorations selon la présente invention,
    • - la figure 2 montre une buse,
    • - la figure 3 montre un outil de forage comportant des améliorations selon la présente invention,
    • - les figures 4 et 5 représentent des schémas permettant de définir différents angles,
    • - la figure 6 représente un mode de réalisation particulièrement efficace d'un outil de forage comportant plusieurs buses selon l'invention, et
    • - la figure 7 représente un diagramme comparatif de l'efficacité d'un outil selon l'art antérieur et d'un outil selon la présente invention.
  • Sur la figure 1, la référence 1 désigne, dans son ensemble, le corps de l'outil de forage ou trépan selon l'invention qui sera, par exemple, réalisé en acier spécial. A une première de ses extrémités, cet outil est adapté, à se raccorder à. des moyens d'entraînement en rotation, par exemple par l'intermédiaire d'un filetage 2. Ces moyens d'entraînement de l'outil en rotation comprendront un porte-outil dont le trépan est rendu solidaire, et qui fait partie de la colonne de forage rotary, ou qui peut être directement entraîné en rotation par le rotor d'un moteur de fond.
  • La seconde extrémité ou tête 3 du trépan comporte une face délimitant le front de taille de l'outil, cette face comportant une pluralité de moyens de destruction 4 et 4a de la formation à forer.
  • La référence 5 représente l'axe de l'outil et la référence 6 représente la partie centrale ou zone centrale, de l'outil qui peut être délimitée à titre d'exemple par la partie de la surface de la seconde extrémité de l'outil comprise à l'intérieur d'un cylindre dont l'axe coïncide avec l'axe de l'outil 5 et dont le diamètre est égal au diamètre extérieur de l'outil divisé par trois.
  • Le trépan comporte des passages d'eau 7. Pour permettre le nettoyage des déblais et leur évacuation, une circulation de fluide est réalisée. Le fluide de forage passe de la partie intérieure du trépan à la zone extérieure annulaire 8 (Fig. 3) comprise entre le front de taille et la surface de l'outil par l'intermédiaire de buses 9 qui orientent le fluide directement sur le front de taille suivant une trajectoire f.
  • Le nettoyage des déblais et leur évacuation se fait par une circulation du fluide de forage qui est amené par le train de tiges jusque dans la cavité intérieure du trépan. Le fluide est ensuite distribué grâce à un perçage à au moins une première buse 9 ayant un canal d'injection du fluide dont l'axe 17 est orienté sensiblement vers la zone centrale 6 de l'outil.
  • Dans la présente description, on entend par canal d'injection de la buse la partie de la buse qui va orienter la direction du jet, ainsi sur la figure 2, le canal de la buse 18 correspond au passage 19. L'axe 20 du canal 19 de la buse 18 peut être défini comme la direction résultante de l'écoulement, ou du jet, produit par ce canal 19.
  • Dans la présente description, l'axe 20 du canal 19 de la buse 18 est supposé être orienté dans le sens de l'écoulement produit par la buse, ce sens est indiqué sur la figure 2 par la flèche 22.
  • Il est bien évident que l'on ne sortira pas du cadre de la présente invention en utilisant des buses ayant des sections de passage de diverses formes, ce qui demeure important étant la direction et plus exactement l'orientation de l'axe de ces buses telles que définies précédemment.
  • Le fluide issu de la buse 9 est évacué par l'annulaire 8 (Fig. 3) compris entre le front de taille et la surface de l'outil.
  • Le trépan 1 de la figure 3 comporte une deuxième buse 23 qui possède un axe 24 orienté vers l'annulaire 8.
  • Cette deuxième buse est située dans un passage d'eau 16 localisé du côté du trépan 25 opposé à celui contenant la première buse et qui porte la référence 26.
  • Le côté dit opposé 25 est défini par la portion de l'outil située dans le demi espace délimité par un premier plan passant par l'axe de l'outil perpendiculaire à un deuxième plan contenant un point de l'orifice d'injection de la première buse 9 ainsi que l'axe du trépan et qui ne contient pas la première buse 9.
  • L'outil de la figure 3 qui comporte un nombre impair de passages d'eau, en l'occurrence cinq, comporte une buse supplémentaire 21 orientée préférentiellement vers la périphérie de l'outil et crée un écoulement dirigé respectivement suivant l'axe 35, l'axe 35 étant caractérisé par un angle j3 (la définition de cet angle est donnée dans la suite de ce texte), compris entre 90° et 180° et qui dans le cas précis de la figure 3 est sensiblement égal a 150°. De plus, sur la figure 3, l'axe 35 du jet créé par la buse 21 est orienté vers la face d'attaque des lames de coupe, ce qui représente une configuration particulièrement intéressante pour le nettoyage de ces lames de coupe.
  • L'axe 24 de la buse 23 est caractérisé par un angle égal à 180°.
  • Cet ensemble constitué des buses 9, 21 et 23 crée dans la partie centrale de l'outil une circulation de fluide de forage orienté sensiblement selon l'axe 17 de la première buse 9, tout en réduisant les tourbillons.
  • Le trépan de la figure 3 comporte une troisième buse 27 qui peut être alimentée en fluide de forage par le même perçage que celui alimentant la première buse 9.
  • L'axe 28 du canal de cette troisième buse 27 est orienté sensiblement dans la direction opposée à celle de la première buse. Il faut comprendre par là que la troisième buse 27 possède un canal d'injection de fluide qui crée un écoulement s'éloignant du plan perpendiculaire a l'axe 17 du premier canal.
  • Bien entendu, la troisième buse 27 peut être alimentée par un perçage indépendant, diffèrent de celui alimentant la première buse 9.
  • On ne sortira pas du cadre de la présente invention si l'une au moins des buses citées précédemment produit un jet qui dès sa sortie de ladite buse est parallèle au front de taille et/ou à la surface de l'outil. Ceci revient à dire que l'axe de ladite buse est parallèle au front de taille et/ou à la surface de coupe de l'outil.
  • Sur la figure 4, la référence 11 représente le front de taille tel qu'il est usiné par l'outil. La référence 12 représente le plan tangent au front de taille au point d'impact du jet sur ce dernier.
  • Sur la figure 5, la référence 13 représente le plan tangent au front de taille au point le plus proche de la buse d'ou est issu le jet f. La référence 14 est la projection orientée dans le sens de progression de l'outil de l'axe de l'outil 5 sur le plan 13. La référence 15 désigne la projection de la trajectoire du jet f en sortie de buse en projection sur le plan 13. β est l'angle formé par les projections 14 et 15. L'angle j3 est calculé en partant de la demi-droite AB ou A est le point d'intersection des projections 14 et 15.
  • La figure 6 représente un outil ayant un nombre pair de passages d'eau, en l'occurrence six. Cet outil a révélé de très bonnes performances en capacité d'évacuation des déblais lors d'essais expérimentaux.
  • Les jets utilisés sont des jets inclinés par rapport au front de taille, de telle manière que l'angle a que forme le jet f avec le plan tangent 12 au front de taille au point d'impact de ce jet soit différent de 90°.
  • Il est bien évident que la direction d'un jet se confond sensiblement avec l'axe de la buse qui le produit.
  • Une application de l'invention, représentée sur la figure 6, à un outil comprenant six passages d'eau référencés 29 à 34, consiste à orienter de façon préférentielle vers la partie centrale de l'outil les deux jets dénommés f1 et f2 se trouvant dans deux passages d'eau voisins 29 et 30 et étant inclinés respectivement des angles α1 et et2 par rapport au front de taille, de façon préférentielle vers la partie centrale de l'outil.
  • On appelle jet orienté de façon préférentielle vers la partie centrale de l'outil, tout jet issu d'une buse extérieure à cette partie centrale 6 et dont la projection de la trajectoire sur un plan perpendiculaire à l'axe 5 de l'outil se trouve en partie à l'intérieur de la projection sur ce plan de la partie centrale 6 de l'outil. Est également considéré comme jet orienté de façon préférentielle vers la partie centrale de l'outil tout jet issu d'une buse intérieure à cette partie centrale 6 et orienté de façon préférentielle vers le centre de l'outil. Un jet est appelé jet orienté de façon préférentielle vers la partie centrale de l'outil lorsque l'angle p défini sur la figure 5 a une valeur inférieure à 90°.
  • On ne sortira pas du cadre de la présente invention si l'outil comporte une seule buse de forme oblongue.
  • Le plan de la figure 6 correspond à un plan perpendiculaire à l'axe de l'outil. L'axe 38 représente l'axe de circulation du fluide.
  • La flèche 39 représente un vecteur de vitesse efficace obtenu par la projection orthogonale sur le plan de la figure d'un vecteur de vitesse de l'écoulement dans la partie centrale de l'outil. La référence 40 désigne le vecteur de circulation obtenu par la projection orthogonale du vecteur de vitesse efficace 39 sur l'axe de circulation 38.
  • Le vecteur de circulation 40 peut être obtenu directement par la projection, de la vitesse de l'écoulement sur l'axe de circulation 38, sur un plan perpendiculaire à l'axe de circulation 38.
  • Les différents vecteurs de circulation de la partie centrale de l'outil sont orientés dans le même sens dans le cas particulier de la figure 6.
  • Les jets f1 et f2 créent au niveau de la partie centrale de l'outil 6 un écoulement privilégié des passages d'eau 29 et 30 vers les passages d'eau 32 et 33 permettant d'évacuer de façon efficace des déblais se trouvant dans cette zone. L'utilisation de jets inclinés permet d'avoir une vitesse d'écoulement élevé du fluide dans cette zone, en limitant la perte de vitesse du jet au niveau de l'impact jet sur front de taille.
  • Associés aux jets f1 et f2, les jets f3 et f4 dans les passages d'eau 33 et 32 améliorent l'efficacité de la technique, en facilitant l'évacuation des déblais poussés par f1 et f2 vers la zone annulaire de l'outil.
  • Les jets f3 et f4 également inclinés respectivement des angles α3 et a4 par rapport au front de taille sont des jets orientés préférentiellement vers la périphérie de l'outil. On appelle jet orienté de façon préférentielle vers la périphérie de l'outil tout jet tel que l'angle β précédent défini soit compris entre 90° et 180°.
  • Les jets fs, fε, f7 et fε également inclinés respectivement des angles α5, α6, a7 et «8 par rapport au front de taille sont orientés préférentiellement vers la périphérie de l'outil.
  • Ils ont pour fonction le nettoyage des lames de coupes délimitant le passage d'eau où ils se trouvent respectivement 31, 30, 29 et 34. Les jets f3 et f4 ont également cette fonction supplémentaire.
  • Les sections de passage des buses que l'on notera Sl, S2,..., S2 peuvent ne pas être toutes identiques.
  • Dans le cas d'un outil comprenant des passages d'eau, chaque passage d'eau peut comprendre zéro, un, ou plusieurs jets.
  • Si un passage d'eau comprend plusieurs jets dont l'un est orienté de façon préférentielle vers la partie centrale de l'outil, ce jet sera celui se trouvant le plus prés du centre de l'outil, le centre de l'outil correspond à l'intersection de la surface extérieure de la deuxième extrémité de l'outil avec l'axe de l'outil 5.
  • La section de sortie S des buses peut être circulaire, mais peut également avoir d'autres formes telle qu'une forme oblongue, la forme d'une fente, etc..
  • Si un outil ne comprend qu'une seule buse, celle-ci sera orientée de façon préférentielle vers la partie centrale de l'outil et aura de préférence la forme d'une fente.
  • L'application de l'invention conduit à la meilleure efficacité lorsque tous les jets sont inclinés par rapport au front de taille, mais elle garde sa valeur lorsque un ou plusieurs jets ne sont pas inclinés par rapport au front de taille.
  • La valeur de l'angle a pour un jet incliné sera avantageusement inférieure à 45°.
  • La valeur de l'angle 13 pour un jet orienté de façon préférentielle vers la partie centrale de l'outil sera avantageusement inférieure à 45°.
  • Le nombre de jets orientés préférentiellement vers la partie centrale de l'outil sera de préférence inférieur ou égal à la partie entière de la moitié du nombre de passages d'eau.
  • Les jets orientés de façon préférentielle vers la partie centrale de l'outil seront de préférence situés du même côté d'un plan passant par l'axe 5 de l'outil, afin d'éviter que ces jets ne viennent s'annihiler dans la partie centrale de l'outil.
  • Sur l'outil de la figure 6, les jets f3, f4, fs, fε, f7 et f8 qui ne sont pas orientés vers la partie centrale de l'outil et dont la fonction est en particulier le nettoyage de la surface de l'outil en contact avec le front de taille, cette surface ne comprenant pas la partie centrale de l'outil, créent un écoulement centrifuge orienté vers les lames de coupes particulièrement efficace pour le nettoyage de l'outil et en particulier de sa périphérie.
  • Les buses positionnées sur l'outil peuvent être amovibles ou fixes, de section identiques ou non. Les buses fixes pourront être constituées par un simple canal réalisé directement dans le corps de l'outil et ayant une inclinaison appropriée de l'orifice d'injection.
  • D'une façon générale, la somme des sections des jets orientés de façon préférentielle vers la partie centrale de l'outil sera de préférence supérieure ou égale au tiers de la section totale ST de passage des buses placées sur l'outil et de préférence inférieure ou égale aux deux tiers de la section ST.
  • La figure 7 représente un diagramme montrant le gain apporté par l'invention sur la capacité de l'outil de forage à évacuer les déblais qu'il crée au fond du puits de forage.
  • L'axe des ordonnées 35 de ce diagramme représente la capacité d'un outil a évacuer les déblais.
  • L'axe 10 des abscisses représente la durée pendant laquelle on tait passer un fluide de forage dans l'outil.
  • Sur cette figure, la référence 36 correspond à la courbe de performance d'un outil selon la présente invention et la référence 37 correspond à la courbe de performance d'un outil selon l'art antérieur.
  • Pour obtenir ces courbes, l'outil est placé dans une cellule simulant le fond du puits de forage. On introduit entre l'outil et la cellule un volume donné V de sable simulant les déblais.
  • Lors de l'expérience, on fait circuler un fluide à un débit donné à travers l'outil et l'on enregistre en fonction du temps le volume de déblai évacué par rapport au volume de déblai initialement placé dans la cellule. La capacité de l'outil à évacuer les déblais correspond au rapport du volume de déblais évacué sur le volume de déblais initial V.
  • On remarque sur les courbes présentées que pour une durée de t1, l'outil selon l'invention a évacué un volume de déblais trois fois supérieur à celui évacué par l'outil selon l'art antérieur.
  • Dans le cas de l'outil selon l'invention, les déblais étant rapidement évacués du front de taille, l'outil se trouve donc en permanence en contact avec la roche à détruire et non en contact avec les déblais qu'il vient de créer. Ceci a pour conséquence d'augmenter la vitesse d'avancement de l'outil de forage et d'éviter le rebroyage des déblais par cet outil qui limiterait l'efficacité de l'outil et provoquerait une usure initiale de celui-ci.
  • La courbe de performance 37 d'un outil selon l'art antérieur atteint sensiblement une asymptote horizontale correspondant à une capacité d'évacuation des déblais de l'ordre de 60 %, ce qui signifie que les déblais restant, soit prés de 40 % des déblais initiaux, sont très difficile à évacuer.
  • Au contraire, l'outil selon la présente invention ne laisse pratiquement plus de déblais dans la cellule, =du fait notamment d'un bon nettoyage de la partie centrale de l'outil.

Claims (9)

1. Méthode améliorant le déblaiement d'un outil de forage (1) tournant, notamment sur lui-même, en fonctionnement, autour d'un axe propre (5), ou axe de l'outil, ledit outil comportant un corps dont une première extrémité est adaptée à se raccorder à des moyens d'entraînement en rotation et dont la seconde extrémité (3), délimite le front de taille, ladite second extrémité comportant des passages d'eau, la zone de ladite second extrémité voisine dudit axe constituant la partie centrale de l'outil (6), ledit outil comporte au moins une buse (9), caractérisée en ce que ladite buse est positionnée dans un passage d'eau pour produire un écoulement orienté vers la partie centrale (6) de l'outil, le vecteur (39) obtenu par la projection orthogonale sur un plan perpendiculaire à l'axe de l'outil de la vitesse dudit écoulement dans la partie centrale de l'outil étant non nul en tout point de ladite partie centrale, ledit vecteur constituant le vecteur de vitesse efficace, en ce que ladite buse (9) est positionnée de telle sorte qu'il existe au moins un axe, dit axe de circulation (38), appartenant audit plan perpendiculaire à l'axe de l'outil, en ce que les différents vecteurs de circulation (40) obtenus par la projection orthogonale sur ledit axe de circulation des différents vecteurs de vitesse efficace (39) des points de la partie centrale sont orientés dans le même sens.
2. Méthode selon la revendication 1 appliquée au cas d'un outil comportant plusieurs buses (9, 21, 23), caractérisée en ce que lesdites buses sont positionnées et dimensionnées pour produire dans la partie centrale de l'outil un écoulement résultant dont le vecteur de vitesse efficace est non nul en tout point de ladite partie centrale de l'outil.
3. Outil de forage pour la mise en oeuvre de la méthode de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une première buse d'injection (9) positionnée en un premier passage d'eau (7) de l'outil, ladite buse comportant un canal d'injection dont l'axe (17) est orienté sensiblement vers la partie centrale de l'outil (6) ladite buse (9) étant positionnée de telle sorte qu'il existe au moins un axe, dit axe de circulation (38), appartenant audit plan perpendiculaire à l'axe de l'outil, en ce que les différents vecteurs de circulation (40) obtenus par la projection orthogonale sur ledit axe de circulation des différents vecteurs de vitesse efficace (39) des points de la partie centrale sont orientés dans le même sens.
4. Outil de forage selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une deuxième buse (23) positionnée dans un deuxième passage d'eau'(16) localisé sur le côté de l'outil opposé (25) à celui (26) contenant la première buse (9), ledit côté opposé (25) étant défini par la portion de l'outil située dans le demi espace délimité par un premier plan passant par l'axe de l'outil (5), perpendiculaire à un deuxième plan contenant un point de l'orifice d'injection de ladite première buse (9) ainsi que l'axe de l'outil et ne contenant pas ladite première buse (9), ladite buse (23) comprenant un canal d'injection adapté à produire un écoulement sensiblement orienté dans la direction opposée à celle définie par la partie centrale de l'outil.
5. Outil selon la revendication 4, caractérise en ce que ladite deuxième buse (23) d'injection est positionnée dans un passage d'eau localisé sur l'outil sensiblement dans un demi-plan appartenant au deuxième plan, ledit demi-plan étant délimité par l'axe de l'outil et ne contient pas ladite première buse.
6. Outil selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs buses d'injection de fluide ayant des canaux d'injection de fluide dont l'axe est orienté vers la zone centrale de l'outil et en ce que lesdites buses se trouvent positionnées dans des passages d'eau localisés sur l'outil d'un même côté par rapport à un plan passant par l'axe de l'outil.
7. Outil selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième buse (27) comportant un troisième canal, ladite troisième buse (27) étant positionnée sensiblement au voisinage de ladite première buse (9), l'axe (28) dudit troisième canal étant orienté sensiblement dans le sens opposé à celui de la première buse.
8. Outil de forage selon l'une des revendications 3 à 7, ledit outil comprenant un nombre n de passages d'eau supérieur ou égal à trois, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre m de passages d'eau adjacents entre eux deux à deux, dont chacun comporte au moins une buse d'injection ayant un canal d'injection orienté vers la partie centrale de l'outil, ledit nombre m étant compris entre un et la partie entière du quotient du nombre n par deux.
9. Outil de forage selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'un au moins des passages d'eau non équipés de buse d'injection ayant un canal d'axe orienté vers la partie centrale de l'outil est équipé d'au moins une buse d'injection comportant un canal sensiblement orienté dans le sens opposé à celui défini par la partie centrale de l'outil.
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