EP0182770A1

EP0182770A1 - Outil de forage diamanté

Info

Publication number: EP0182770A1
Application number: EP85870155A
Authority: EP
Inventors: Honoré Joseph Lambot
Original assignee: Diamant Boart NV SA
Current assignee: Diamant Boart NV SA
Priority date: 1984-11-12
Filing date: 1985-11-06
Publication date: 1986-05-28
Also published as: DK519285D0; DK519285A; CA1264317A; NO854492L

Abstract

On améliore les performances d'un trépan de forage (1), en répartissant les éléments de coupe (8) par petits groupes fixés chacun sur des îlots (4) séparés répartis sur toute la surface de l'outil. Dans ce type d'outil, on garnit avantageusement chaque orifice de rinçage d'un ajutage d'injection (7).

Description

La présente invention est relative à un outil de forage diamanté, garni d'éléments de coupe éventuellement synthétiques, disposés en saillie par rapport à des zones de drainage formées par des portions de surface délimitant le corps de l'outil proprement dit et muni d'au moins un orifice de lavage alimenté en fluide de forage.
Les éléments considérés sont des diamants naturels ronds, des diamants naturels cubiques, des diamants synthétiques sertis, qu'ils soient mono- ou polycristallins et quelle que soit leur forme ou de plaquettes diamantées polycristallines rapportées.
Les outils de forage diamantés suivant la présente invention trouvent leur principale application dans le forage de terrains tendres ou mi-durs éventuellement collants, tels que les argiles et les grès poreux. Ils sont également utilisés dans les terrains constitués de couches alternées de terrains très tendres et mi-durs. De tels terrains nécessitent une hydraulique très étudiée afin d'éviter d'une part, le rebroyage des déchets de coupe et d'autre part, le colmatage de l'outil.
On connaît par le brevet belge n° 771.628, un trépan de forage rotatif garni de pierres serties. Ces diamants sont disposés à la surface de l'outil en rangées sensiblement radiales ils sont sertis dans la partie du corps d'outil constitué de protubérances d'attaque en saillie de quelques millimètres de haut, séparées entre elles par des gorges radiales qui assurent le drainage des débris de coupe par le fluide de refroidissement. L'arrangement des protubérances serties et des évidements réservés au drainage du fluide de refroidissement du diamant et l'évacuation des débris de roches soient optimaux. L'amenée du fluide de forage est réalisée par un large canal dans la zone centrale de l'outil ; ce canal n'est pas spécialement profilé et le fluide de forage aboutissant à la surface de l'outil entre en contact avec la roche avec une vitesse faible et s'écoule préférentiellement suivant les passages d'eau plus ou moins radiaux, la chute de pression globale à l'outil est généralement faible une dizaine de bars.
Ces outils à pierres serties conventionnels permettent, selon la quantité et la grosseur des pierres, de forer des terrains assez durs à très durs. Par contre, dans les terrains tendres et agglutinants, ils ne réalisent que des performances médiocres et se colmatent rapidement.
D'autre part, on connaît aussi par le brevet américain n^* 4 323 130, des outils de forage à plaquettes diamantées réparties sur toute la surface de l'outil.
Ces outils sont largement répandus sous deux formes préférées : les outils en carbure infiltré et les outils en acier. Les deux formes d'outils se distinguent principalement par l'ordre chronologique des diverses étapes de préparation.
D'une manière générale, les plaquettes diamantées sont constituées d'une couche de diamant polycristallin rapportée sur un substrat de carbure de tungstène par frittage.
Dans les outils en carbure infiltré, les plaquettes diamantées ne sont fixées sur l'outil qu'en fin d'opération, après moulage de l'outil. Elles sont solidarisées par brasage sur des supports de carbure de tungstène préalablement enserrés dans le corps de l'outil au cours de sa fabrication par infiltration.
Par contre, dans les outils en acier, les plaquettes diamantées sont brasées sur un support de carbure avant que ceux-ci ne soient fixées sur le corps de l'outil le plus souvent par frettage.
La répartition des plaquettes répond à des critères bien précis de densité radiale en fonction de la distance au centre de l'outil et de la répartition angulaire assurant un bon équilibrage mécanique de l'outil de forage. A cette répartition des plaquettes est associée une répartition optimale de l'alimentation en fluide de forage qui, dans ce cas, est constituée de plusieurs conduits ménagés dans la masse et aboutissant à la surface de l'outil en des endroits bien déterminés, généralement de part et d'autre de l'axe de rotation à des distances différentes de l'axe susdit ces conduits sont en général munis d'ajutages d'injection à leur extrémité, leur permettant de créer des jets puissants susceptibles d'éviter le colmatage et éventuellement de contribuer à la destruction de la roche.
Les ajutages d'injection sont réalisés en un matériau présentant une haute résistance à l'usure, généralement du carbure de tungstène fritté. Le fluide de forage présent dans la cavité inté--ieure de l'outil et provenant du train de tige, en traversant l'ajutage, est soumis à une accélération brutale avec un rendement hydraulique élévé, la différence de pression entre l'amont et l'aval du jet nozzle peut atteindre 50 à 100 bars, ce qui correspond à des vitesses linéaires à l'orifice de l'ordre de grandeur de 100 mètres par seconde.
Quelle que soit sa forme extérieure, le corps des outils décrit dans le brevet américain n° 4325130 précité peut être réalisé indifféremment en acier ou en carbure infiltré.
Ce dernier type d'outils réalise d'excellentes performances dans les terrains tendres et, en particulier, dans les terrains très tendres et agglutinants. On constate toutefois que la vitesse de pénétration diminue très rapidement lorsqu'on aborde des terrains de dureté plus élevée, tels des terrains de dureté moyenne comme par exemple le calcaire et la dolomie. On constate également un risque de plus en plus grand de colmatage au fur et à mesure'que le diamètre de l'outil augmente et ce, en raison de la difficulté croissante d'éliminer les débris de coupe.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients susdits. Elle est relative à un trépan de forage diamanté, garni d'éléments de coupe éventuellement synthétiques, disposés en saillie par rapport à des zones de drainage formées par des portions de surface délimitant le corps de l'outil proprement dit, et muni d'au moins un orifice de lavage alimenté en fluide de forage, essentiellement caractérisé en ce que les éléments de coupe sont groupés sur des îlots répartis sur toute la surface de l'outil et séparés les uns des autres par des zones de drainage susdites, les îlots ainsi que les zones de drainage pouvant être pourvus de conduits garnis à leur extrémité d'un ajutage d'injection.
Dans les terrains de dureté plus élevée, on utilisera avantageusement des pierres naturelles ou synthétiques serties sur des îlots en saillie de 1 à 10 mm par rapport au corps de l'outil proprement dit.
Suivant une particularité de l'invention, les pierres sont disposées en îlots isolés présentant une largeur de coupe de 10 à 20 mm et 1 'embase sertie des éléments de coupe est de préférence en saillie d'environ 7 mm par rapport au niveau de la surface du corps ou l'outil proprement dit.
Dans une forme de réalisation particulière, on évite le colmatage des outils de grand diamètre, en disposant les plaquettes diamantées polycristallines sur des îlots en saillie de 1 à 40 mm par rapport au corps de l'outil proprement dit.
Suivant une particularité de l'invention, les plaquettes diamantées polycristallines sont disposées en îlots isolés présentant une largeur de coupe de 20 à 60 mm et l'embase sertie des plots-supports est en saillie d'environ 15 mm par rapport au niveau de la surface du corps de l'outil proprement dit.
D'autres particularités et détails de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de l'outil de forage suivant l'invention à éléments de coupe et jets répartis.
Dans ces dessins :

- la figure 1 montre en perspective, un outil de forage plat à pierres serties disposées en saillie sur des protubérances réparties suivant l'invention, sur toute la surface de l'outil ;
- les figures 2 et 3 sont des vues de bout et de plan de l'outil de forage montré à la figure 1 ;
- les figures 4 et 5 sont des vues de bout et de plan de l'outil du type d'îlot montré aux figures 1 et 2 ;
- les figures 6 à 11 montrent en détail trois formes de réalisation différentes de sertissage de pierre cubique susceptible d'être appliquée sur un îlot, vues respectivement en élévation latérale et en bout ;
- les figures 12 à 17 illustrent en détail trois formes de réalisation différentes de sertissage d'une pierre prismatique susceptible d'être appliqué sur un îlot, vues respectivement en élévation latérale et en bout ;
- la figure 18 montre en perspective, un outil de forage plat à plaquettes diamantées polycristallines disposées en saillie sur des protubérances ;
- les figures 19 et 20 sont des vues de bout et de plan de l'outil de forage montré à la figure 16 ;
- les figures 21 et 22 illustrent en détail une protubérance garnie de plaquettes polycristallines,
- la figure 23 montre une forme de répartition radiale des îlots et de leurs éléments de coupe ; la figure 24 illustre la réalisation d'un îlot de grande dimension, comportant un élément secondaire de protection de plaquettes diamantées constitué d'une surface-frein, et
- la figure 25 est une coupe d'un îlot, tel que montré à la figure 24, normale à la surface de l'outil et parallèle à la direction de coupe.

Dans ces figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
De nombreuses publications récentes montrent l'importance de l'hydraulique dans le comportement des outils de forage pour en justifier les performances. Elles étudient en particulier "l'effet jet" et le relief des outils équipés de ces jets. Les éléments de coupe les plus répandus sont des plaquettes diamantées de type PDC, c'est-à-dire "polycristalline diamand compact".
En particulier, l'ouvrage de synthèse intitulé "Advanced Drilling Techniques" par William C. Maurer, comptant 698 pages et édité en 1980 par The Petroleum Company, décrit divers aspects des effets jets en forage pétrolier.
L'article de Dave Glowka "Optimalisation of Bit Hydraulic Configuration", de Sandia National Laboratories paru dans la revue technique "Society of Petroleum Engineers Journal" de février 1983, analyse le comportement des outils à plaquettes PDC munis d'orifices de lavage non munis d'ajutages d'injection.
En fait, il existe déjà des outils à jets, tels que ceux décrits dans le brevet américain n° 4 323 130, les éléments coupants sont cependant fixés au niveau de la surface inférieure plane de la matrice de l'outil.
Ces outils à jets suivant l'invention, désignés dans leur ensemble par la notation de référence 1, se distinguent d'autres outils de forage par l'ensemble des éléments suivants :

- un profil quelconque muni éventuellement d'un évidement conique 2 ;
- une distribution des éléments de coupe 3 sur toute la surface de l'outil, non pas répartis suivant des "lames" ou "ailes", ni non plus complètement isolés les uns des autres, mais plutôt groupés en surélévation sur des îlots 4, séparés entre eux par des zones de drainage 5 dans le but de favoriser leur refroidissement et l'élimination de débris de roches ;
- une alimentation en fluide de forage au travers de conduits 6 aboutissant à la surface de l'outil, soit dans les zones de drainage 5, soit dans les îlots 4, dirigés vers la formation et en général garnis chacun à leur extrémité d'un "jet nozzle" 7, c'est-à-dire d'un ajutage constitué d'un matériau offrant une résistance particulière à l'érosion et qui, par son profil bien étudié, permet la mise en vitesse du fluide de forage avec un bon rendement hydraulique. Les canaux peuvent aboutir dans les canaux de rinçage ou encore dans les îlots.

La vitesse du fluide de forage atteint à la sortie du jet, de préférence un ordre de grandeur de 100 m/s.
Les fortes turbulences ainsi obtenues favorisent l'élimination des débris de roches et contribuent à empêcher le rebroyage des débris qui réduit à la fois la vitesse de pénétration de l'outil et la longévité de l'outil.
Elles empêchent le colmatage de l'outil dans les terrains très tendres et collants ; on estime également que dans les terrains très tendres, le fluide de forage entrant à grande vitesse en contact avec la roche participe à la destruction de celle-ci à condition que l'ajutage soit dirigé vers la formation.
Comme illustré aux figures 1 à 3, dans un outil de forage à pierres serties, chaque Ilot 4 comporte plusieurs pierres cubiques 8, serties par leur base dans une protubérance constituée d'une portion de surface 9 en saillie par rapport au niveau de la surface externe du corps de l'outil.
Dans ce cas, la portion de la surface 9 sur laquelle sont serties les pierres, est en saillie d'une hauteur pouvant être égale tout au plus, à la largeur de coupe de l'ilot, cette valeur étant considérée comme une limite technologique.
Trois pierres cubiques 11 de quatre millimètres environ, sont serties sur deux rangées de manière à assurer un recouvrement complet par îlot. La saillie émerge avantageusement d'environ 7 mm de la surface du corps de l'outil.
Deux pierres 11' déposées de front assurent une largeur de coupe suffisante, par exemple de l'ordre de grandeur de la largeur de coupe d'une plaquette traditionnelle de 13,3 mm de diamètre. Les deux pierres 11' de front sont suivies d'une troisième pierre de 11" disposée entre les sillages des deux premières.
La figure 3 montre que la répartition des pierres suivant la présente invention s'inspire de celle réalisée pour les outils plats à plaquettes réparties dans la mesure où les pierres sont disposées en îlots 4 isolés et répartis suivant des lois semblables à celles utilisées pour les plaquettes. Chaque îlot comprend plusieurs pierres de manière à assurer, pour chaque îlot une largeur de coupe suffisante qui, dans le cas de l'exemple décrit et de l'ordre de grandeur de la largeur de coupe des plaquettes utilisées habituellement sur les outils plats à plaquettes réparties. L'alimentation en fluide de forage est identique à celle décrite à la figure 2 et donc, présente également les mêmes avantages.
Les figures 4 et 5 décrivent en détail une réalisation possible des îlots comportant les éléments de coupe. Dans ce cas, la position de surface 9 sur laquelle sont sertis les éléments de coupe est en saillie de 7 millimètres environ par rapport au corps de l'outil proprement dit 10. Trois pierres 8 sont serties sur deux rangées de manière à assurer un recouvrement complet par ilot.
Les figures 6 à 11 donnent trois exemples de positionnement dans la matrice d'un élément de coupe cubique. Ainsi les figures 6 et 7, 8 et 9 ainsi que 10 et 11 sont respectivement des vues en bout et en élévation latérale des exemples susdits, le sens de défilement de la roche est indiqué dans les trois cas par la flèche 12, les figures 6 à 9 montrent que l'élément de coupe cubique peut être positionné de manière à présenter une face plane 13 à la roche, l'élément pénétrant le plus profondément dans la roche étant le coin 14 dans le cas 6 et l'arête 15 dans le cas 7.
Les figures 10 et 11 montrent que l'élément de coupe cubique peut être positionné de manière à présenter une arête 16 à la roche ; dans ce cas, l'élément pénétrant le plus profondément dans la roche est obligatoirement le coin 17.
Dans les trois cas, l'élément de coupe est positionné de manière à présenter un angle de dépouille 18, qui est généralement compris entre 5 et 30 degrés, compté positivement comme indiqué par les figures.
Les figures 12 à 17 sont trois exemples de positionnement dans la matrice d'un élément de coupe prismatique à base triangulaire 19.
Ces représentations sont semblables à celles des figures 6 à 11 se rapportant aux pierres cubiques, elles sont données avec les mêmes numérotations 20,21,22,23,24, 25, 26.
Les figures 18 à 20 montrent une forme de réalisation possible d'îlots 4 comportant des plaquettes diamantées polycristallines 27 brasées sur des plots de carbure 28 sertis dans le corps 10 de l'outil de forage 1.
La surface 9 sur laquelle sont serties les plaquettes diamantées 27 est en saillie par rapport au corps de l'outil proprement dit d'une hauteur pouvant être égale au maximum à la largeur de coupe de l'îlot, cette valeur étant considérée comme une limite technologique.
Trois plaquettes diamantées traditionnelles 27, par exemple de 13,3 mm de diamètre sont serties sur un îlot 4 émergeant avantageusement de 15 mm de la surface du corps 10 de l'outil.
La disposition des plaquettes 21 sur chaque îlot 4 et la répartition des îlots sont choisies de manière à assurer un recouvrement complet de l'ilot.
Comme illustré aux figures 21 et 22, on place par exemple deux plaquettes de front, afin d'assurer une largeur de coupe d'environ 35 mm. Les plaquettes 21' diamantées de front sont suivies d'une troisième plaquette 21" disposée entre les sillages des deux premières.
A la surface de l'ilot peut aboutir un conduit d'arrivée de fluide 6 muni d'un ajutage d'injection 7 dont l'axe dirigé vers la formation, est également incliné vers les plaquettes diamantées, comme illustré aux figures 15 et 16.
La figure 23 montre une forme de répartition radiale possible des éléments de coupe cubiques 8. Les éléments et les îlots 4 sont disposés à des distances différentes de l'axe de rotation de l'outil. Le décalage radial entre deux plots successifs est tel que l'élément de coupe situé à l'extérieur d'un îlot i est confondu en projection avec l'élément de coupe situé au centre sur l'îlot i + 1 et également confondu en projection avec l'élément de coupe situé à droite sur l'ilot i + 2 ; dans ce cas donc, chaque sillage est parcouru trois fois consécutivement par des éléments successifs i,i + 1 et i + 2.
On peut évidemment doubler à volonté la densité des éléments de coupe en multipliant le nombre d'îlots ; en particulier aux endroits particulièrement sollicités.
Comme illustré aux figures 24 et 25, les îlots garnis de plaquettes diamantées peuvent avoir, principalement dans les outils de grand diamètre, une extension importante ; dans ce cas, les îlots peuvent être séparés par des zones de drainage également volumineuses.
Dans les terrains très tendres pour lesquels ces outils sont destinés en principe, les vitesses d'avance instantanées peuvent être très élevées de telle sorte que les plaquettes diamantées 27, et principalement celles situées sur la première rangée de chaque îlot 4 peuvent devoir arracher un volume énorme de matière et en tout cas beaucoup trop important en regard de la résistance mécanique de la plaquette diamantée elle-même ou de son support en carbure de tungstène fritté. Il s'ensuit qu'on sera améné à protéger les plaquettes diamantées de ces surcharges temporaires potentielles par des surfaces-freins 29 situés devant les plaquettes diamantées et dont la face supérieure 30 est à un niveau inférieur à celui de l'arête de coupe des plaquettes diamantées d'une valeur égale à la profondeur de coupe tolérée. Ces surfaces-freins 29, comme illustré à la figure 18, sont avantageusement constituées par une surélévation faite du même carbure infiltré que le corps de l'outil lui-même et sertie de pierres, par exemple des cubes polycristallins synthétiques 11 déjà décrits de manière à augmenter la résistance à l'abrasion par la formation de la surface 42 et à en diminuer le coefficient de frottement sur cette même formation ; les surfaces-freins 29 pourront également être constituées par exemple de pièces en carbure de tungstène fritté par du cobalt et comportant ou non du diamant ou même, si cela s'avérait nécessaire, par une ou plusieurs rangées de plaquettes diamantées situées également à un niveau inférieur par rapport aux plaquettes principales.
Il est évident que l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus et que de nombreuses modifications peuvent être apportées au nombre d'éléments de coupe sertis par îlot, à la répartition de ces derniers, ainsi qu'au nombre et à la disposition des ajutages sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Claims

1. Outil de forage diamanté, garni d'éléments de coupe éventuellement synthétiques, disposés en saillie par rapport à des zones de drainage formées par des portions de surface délimitant le corps de l'outil proprement dit et muni d'au moins un orifice de lavage alimenté en fluide de forage, caractérisé en ce que les éléments de coupe (8) sont groupés sur des îlots répartis sur toute la surface de l'outil et séparés les uns des autres par les zones de drainage susdites et en ce que chaque orifice de lavage est garni à son extrémité d'un ajutage d'injection (7).

2. Outil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de coupe sont des diamants éventuellement synthétiques mono- ou polycristallins.

3. Outil de forage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de coupe sont des plaquettes diamantées polycristallines.

4. Outil suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les pierres (8) sont disposées en îlots (4) présentant une largeur de coupe de 10 à 50 mm (et de préférence de 10 à 20 mm.

5. Outil de forage suivant la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que les plaquettes diamantées sont disposées en îlots (4) présentant une largeur de coupe de 20 à 200 mm (et de préférence de 20 à 60 mm).

6. Outil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'- embase sertie des éléments de coupe (8) présente une saillie inférieure ou égale à la largeur de coupe 40 mm par rapport au niveau de la surface du corps de l'outil proprement dit.

7. Trépan suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les éléments de coupe (8) sont groupés par trois, dont deux de front (11') suivi d'un troisième (11") élément disposé entre les sillages des deux premiers éléments (11').

8. Trépan suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les orifices de lavage débouchent dans les îlots portant les éléments de coupe.

9. Trépan suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les orifices de lavage sont inclinés radialement et tangentiellement par rapport à la face plane de l'outil.

10. Trépan suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les îlots (4) comportent des surfaces-freins (29) destinés à limiter la profondeur de coupe des plaquettes diamantées.