EP0776409B1 - Taillant d'outil de forage monobloc - Google Patents
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- E21B10/573—Button-type inserts with preformed cutting elements mounted on a distinct support, e.g. polycrystalline inserts characterised by support details, e.g. the substrate construction or the interface between the substrate and the cutting element
Definitions
- the present invention relates to cutting elements or bits intended to be fixed on drilling tools monoblocks used in drilling rock formations, for example in oil wells or in drilling the cement.
- the bit 10 is positioned relative to the formation rocky 22, as shown in Figure 1, i.e. so that the free flat face 24 of the wafer 16 do with the normal N on the surface 25 of the formation rocky an acute angle ⁇ , oriented in the opposite direction to the direction of movement F of the cutting edge.
- the cutter has a operating mode by compression: plate 16 attacks the formation frontally by its flat face 24 and the compresses, and by reaction, the rock exerts pressure on the flat face 24. Since the imprint of the cutting edge on the rock is shaped like a cylinder sector, the cutting must be strong enough to attack the rock frontally over the entire extent of said footprint.
- the cut can be made with good efficiency: a rock chip 26 is formed which breaks in front of the flat face 24 and which is ground with accumulation small debris in front of the face of the plate.
- the cutting is less effective because of the considerable force that is required to break the rock simultaneously over the entire surface of the imprint. In addition, said force generally leads to vibrational phenomena which are harmful for the duration of tool life.
- this cutter is not suitable for drilling on the one hand, because the insert is not not done in PDC and on the other hand, because the insert is too thin in the direction of the reaction it undergoes from the rock formation. This thickness, which is actually equal to the width of the ring in the radial direction, is insufficient to be able withstand the compression exerted by the rock formation.
- US Patent 4,373,593 relates to a tool cutter monoblock for drilling a rock formation which includes a polycrystalline diamond cutting portion cut into wedge shape and wrapped at least on its periphery by a support portion. But, as for the previous patent, the cutting portion has too low thickness in the direction perpendicular to the axis of rotation of the tool to be able to withstand the reaction of the rock formation.
- the present invention aims to remedy the drawbacks of the aforementioned prior art and it relates to this effect a one-piece tool cutter according to claims 1 and 5.
- the cutter according to the invention is distinguished from that of US patent 4,073,354 by the fact that the wafer has a substantially 90 ° orientation relative to the orientation it has in said patent. So she attacks the rock formation by its cylindrical wall and works in shear and not in compression. Thanks to that orientation, the brochure present, facing the training rock, maximum PDC depth, substantially equal the diameter of the wafer. This great depth gives to the wafer a great resistance compared to the efforts shear exerted by the rock formation.
- the cutting edge 28 of the invention illustrated by FIG. 2 includes a cylindrical support 30 made of tungsten carbide case-hardened, fixed in a blind hole 20 drilled in the tool monobloc 18. It has an inclined flat face 32 on which is fixed, by soldering or otherwise, a plate 34 in PDC in the shape of a cylindrical disc.
- the free face 36 of the wafer made with the normal N at the surface 25 of the rock formation an acute angle ⁇ oriented in the same direction as the direction of movement F of the cutting edge.
- the position of the plate according to Figure 2 is practically 90 ° with respect to that of FIG. 1 and allows to work with ⁇ inclinations of the face 36 "almost flat" with respect to the surface 25 of the formation 38.
- Rock can thus be attacked from more angles aggressive than in the case of technical cutters anterior.
- the inclination ⁇ can vary between 0 and 25 °.
- the wafer works with its cylindrical side wall 40 over its entire thickness. It therefore operates a punching of the rock at its lowest point P at the same time as a shear.
- the plate 34 has a uniform thickness and for reasons of economy, its thickness is relatively small, of the order of 0.5 to 1 mm.
- the cutting thickness h will therefore also be small.
- the cutter according to this embodiment will therefore be used essentially to work on semi-hard to hard terrains.
- the ring 52 can be even thicker and higher than in the embodiment of FIG. 3.
- the tool provided with such cutters can therefore drill formations ranging from softer to harder.
- Another advantage of this cutter is that core 56 in tungsten carbide can be drilled with a hole 58 to place a screw by means of which the cutter can be attached to the tool body.
- the cutting is tapered and present as in the embodiment of FIG. 4 a PDC ring 60 at the periphery of its large base.
- the side wall of the ring is confused with the tapered wall of the cutting edge.
Description
La présente invention concerne des éléments de coupe ou
taillants destinés à être fixés sur des outils de forage
monoblocs utilisés dans le forage de formations rocheuses,
par exemple dans les puits pétroliers ou dans le forage du
ciment.
On connaít par le brevet U.S. 4 073 354 un taillant
selon le préambule de la revendication 1. Pour expliquer le
problème qui est à la base de l'invention, on décrira la
structure et le fonctionnement de ce taillant 10 en se
référant à la figure 1 ci-jointe qui montre une vue en coupe
longitudinale du taillant. Celui-ci comprend un support 12
en forme de plot cylindrique réalisé en carbure métallique
cémenté, par exemple en carbure de tungstène. Ledit plot est
pourvu à une de ses extrémités d'une surface plane 14,
inclinée par rapport à l'axe du plot. Sur cette surface est
fixée, par exemple par brasage, une plaquette 16 formée à
partir d'un mélange de fines particules de diamant
polycristallin ou PDC, de poudre de cobalt et de carbure de
tungstène. Ledit mélange est soumis à une pression et à une
température très élevées, ce qui provoque son frittage et sa
liaison avec le support. Les taillants ainsi fabriqués sont
ensuite fixés sur la tête de l'outil 18 de forage, par
exemple par sertissage dans des trous borgnes 20 prépercés
sur la tête.
Le taillant 10 est positionné par rapport à la formation
rocheuse 22, comme représenté sur la figure 1, c'est-à-dire
de manière que la face plate libre 24 de la plaquette 16
fasse avec la normale N à la surface 25 de la formation
rocheuse un angle aigu α, orienté dans le sens contraire au
sens de déplacement F du taillant.
Il résulte de cette disposition que le taillant a un
mode de fonctionnement par compression : la plaquette 16
attaque la formation frontalement par sa face plate 24 et la
comprime, et par réaction, la roche exerce une pression sur
la face plate 24. Etant donné que l'empreinte du taillant
sur la roche est en forme de secteur de cylindre, le
taillant devra être suffisamment résistant pour attaquer la
roche frontalement sur toute l'étendue de ladite empreinte.
Dans le cas de formations rocheuses tendres à mi-tendres,
la coupe pourra être faite avec une bonne
efficacité : il se forme un copeau de roche 26 qui se brise
devant la face plate 24 et qui est broyé avec accumulation
de petits débris devant la face de la plaquette. Par contre,
dans le cas de formations dures, la coupe est moins efficace
en raison de la force considérable qui est nécessaire pour
casser la roche simultanément sur toute la surface de
l'empreinte. De plus, ladite force entraíne généralement des
phénomènes vibratoires qui sont néfastes pour la durée de
vie de l'outil.
Par le brevet WO 96/27 072, qui fait partie de l'état de la
technique selon l'Article 54(3) CBE, on connaít un outil qui est
utilisé par les tunneliers ou par les graveurs pour graver
des motifs sur une roche. Cet outil comprend un unique
taillant cylindrique en métal dur muni à son extrémité
inférieure d'un insert en forme de bague cylindrique et ce
taillant est monté rotatif autour de son axe sur un support.
Mais un tel taillant n'a rien à voir avec l'objet de
l'invention qui concerne un taillant d'outil monobloc,
c'est-à-dire un taillant qui est serti sur la tête de
l'outil sans possibilité de tourner par rapport à ladite
tête.
De plus, ce taillant ne convient pas pour le forage de
formations rocheuses, d'une part, parce que l'insert n'est
pas réalisé en PDC et d'autre part, parce que l'insert
présente une trop faible épaisseur dans la direction de la
réaction qu'elle subit de la part de la formation rocheuse.
Cette épaisseur, qui est en fait égale à la largeur de la
bague dans le sens radial, est insuffisante pour pouvoir
supporter la compression exercée par la formation rocheuse.
Le brevet US 4 373 593 concerne un taillant d'outil
monobloc pour le forage d'une formation rocheuse qui
comprend une portion de coupe en diamant polycristallin
coupée en forme de coin et enveloppée au moins sur sa
périphérie par une portion support. Mais, comme pour le
brevet précédent, la portion de coupe a une trop faible
épaisseur dans le sens perpendiculaire à l'axe de rotation
de l'outil pour pouvoir supporter la réaction de la
formation rocheuse.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients
de la technique antérieure susmentionnée et elle concerne à
cet effet un taillant d'outil monobloc selon les
revendications 1 et 5.
On notera que le taillant selon l'invention se distingue
de celui du brevet US 4 073 354 par le fait que la plaquette
a une orientation sensiblement à 90° par rapport à
l'orientation qu'elle a dans ledit brevet. Elle attaque donc
la formation rocheuse par sa paroi cylindrique et travaille
en cisaillement et non en compression. Grâce à cette
orientation, la plaquette présente, face à la formation
rocheuse, une profondeur de PDC maximale, sensiblement égale
au diamètre de la plaquette. Cette grande profondeur confère
à la plaquette une grande résistance par rapport aux efforts
de cisaillement exercés par la formation rocheuse.
On notera encore qu'il n'était pas évident pour l'homme
du métier d'imaginer de faire travailler la plaquette en
cisaillement, car il a toujours considéré que ce mode de
travail risque de provoquer la destruction prématurée de la
plaquette.
Mais, les récents progrès réalisés dans le domaine des
plaquettes en PDC (réduction des contraintes résiduelles,
amélioration de la résistance aux chocs, meilleure
résistance à la température et meilleure maítrise de la
qualité) rendent possible à présent de les faire travailler
de manière qu'elles subissent un cisaillement, sans que cela
entame leur durée de vie.
La position donnée à la plaquette selon l'invention
entraíne en outre toute une série d'avantages importants :
- elle permet d'utiliser des angles d'attaque plus agressifs et donc plus performants, en inclinant la plaquette "presque à plat" sur la surface de la formation ;
- la plaquette ne travaille plus avec sa face plate en contact avec le copeau, mais avec sa paroi latérale cylindrique (tout le long de son épaisseur) au contact avec la formation. Le copeau qui se forme n'est donc plus en contact avec la face plate mais avec la paroi cylindrique de la plaquette. Il en résulte que la plaquette réalise la rupture de la roche non seulement par cisaillement mais également par poinçonnement ;
- la distribution des forces se fait radialement sur la paroi cylindrique de la plaquette, ce qui a pour effet de réduire le phénomène vibratoire de l'outil ;
- l'épaisseur de la couche diamantée qui subit les efforts de coupe n'est plus de quelques dixièmes de millimètre, comme c'est le cas de la plaquette de la figure 1, mais de plusieurs millimètres. La durée de vie de la plaquette est donc notablement augmentée.
L'invention sera décrite à présent en détail en regard
des dessins annexés dans lesquels :
Le taillant 28 de l'invention illustré par la figure 2
comprend un support cylindrique 30 en carbure de tungstène
cémenté, fixé dans un trou borgne 20 percé dans l'outil
monobloc 18. Il présente une face plate inclinée 32 sur
laquelle est fixée, par brasage ou autre, une plaquette 34
en PDC en forme de disque cylindrique.
Selon une caractéristique importante de l'invention, la
face libre 36 de la plaquette fait avec la normale N à la
surface 25 de la formation rocheuse un angle aigu α orienté
dans le même sens que le sens de déplacement F du taillant.
Comme on l'a souligné précédemment, cette position est
inhabituelle dans le domaine des outils de forage monoblocs
où l'angle α que fait la face libre de la plaquette avec la
normale N est orienté dans le sens contraire au sens de
déplacement de l'outil.
La position de la plaquette selon la figure 2 est
pratiquement à 90° par rapport à celle de la figure 1 et
permet de travailler avec des inclinaisons β de la face 36
"presque à plat" par rapport à la surface 25 de la formation
38. La roche peut ainsi être attaquée sous des angles plus
agressifs que dans le cas des taillants de la technique
antérieure. Avantageusement, l'inclinaison β peut varier
entre 0 et 25°.
Comme on le voit sur la figure 2, la plaquette travaille
avec sa paroi latérale cylindrique 40 sur toute son
épaisseur. Elle opère donc un poinçonnement de la roche à
son point le plus bas P en même temps qu'un cisaillement.
Dans le taillant que l'on vient de décrire, la plaquette
34 a une épaisseur uniforme et pour des raisons d'économie,
son épaisseur est relativement faible, de l'ordre de 0,5 à
1 mm. L'épaisseur de coupe h sera donc également faible. Le
taillant selon ce mode de réalisation servira donc
essentiellement à travailler les terrains mi-durs à durs.
Selon l'invention, on peut obtenir des profondeurs de
coupe nettement plus importantes avec une même quantité de
PDC et donc une même dépense, en utilisant le taillant selon
la figure 3. Sur la surface inclinée du support 30 de ce
taillant sont formées une série de rainures rectilignes
parallèles 44 qui s'étendent dans la partie centrale de
ladite surface. Ces rainures définissent entre elles des
nervures 46 et elles aboutissent à une rainure périphérique
48 disposée à la périphérie de ladite surface. La rainure 48
peut être plus profonde que les rainures centrales 44. Sur
la surface du support on fait adhérer une mince couche
diamantée 50 qui remplit toutes les rainures 44, 48 et qui
dépasse légèrement le sommet des nervures.
Ainsi, le maximum de quantité de PDC est concentré dans
la portion périphérique du taillant. On pourra donner à la
rainure périphérique une profondeur beaucoup plus grande que
l'épaisseur des plaquettes standards. Les outils sertis avec
de tels taillants pourront forer une plus grande gamme de
duretés de terrain. De plus, ces taillants auront une plus
grande durée de vie que ceux de la figure 1.
Il va de soi que les nervures et les rainures
rectilignes peuvent être remplacées par tout relief en
saillie et en creux.
Dans la variante de réalisation de la figure 4, il n'y a
plus de fine couche diamantée sur l'ensemble de la face du
taillant, mais seulement un anneau 52 en PDC disposé dans
une rainure périphérique 54 formée sur la surface inclinée
du support. La face libre de l'anneau vient à l'affleurement
de l'âme centrale 56 en carbure de tungstène.
L'anneau 52 peut être encore plus épais et plus haut que
dans le mode de réalisation de la figure 3. L'outil muni de
tels taillants pourra donc forer des formations allant des
plus tendres aux plus dures.
Un autre avantage de ce taillant réside dans le fait que
l'âme 56 en carbure de tungstène peut être percée d'un trou
58 pour y placer une vis au moyen de laquelle le taillant
peut être fixé sur le corps de l'outil.
Dans la figure 5, le
taillant est tronconique et présente comme dans le mode de
réalisation de la figure 4 un anneau 60 en PDC à la
périphérie de sa grande base. La paroi latérale de l'anneau
est confondue avec la paroi tronconique du taillant. Lorsque
ce taillant est positionné conformément à l'invention,
c'est-à-dire avec sa grande base "presque à plat" par
rapport à la surface de formation, on peut obtenir une coupe
de la roche avec un angle d'attaque γ positif. On rappelle
que l'angle d'attaque est l'angle que fait la paroi latérale
tronconique 62 de l'anneau avec la normale à la surface de
la formation rocheuse. Il est bien connu dans la mécanique
classique que ce type de taillant peut donner d'excellents
résultats lorsque les matières à couper deviennent
plastiques. De plus, ce taillant permet une grande vitesse
de pénétration de l'outil. Ici aussi, le taillant peut être
fixé sur le corps de l'outil monobloc au moyen d'une vis.
Claims (5)
- Taillant d'outil monobloc pour le forage d'une formation rocheuse, du type comprenant un support cylindrique (30) en carbure métallique cémenté, pouvant être fixé sur l'outil (18), ledit support comportant à une extrémité une face terminale (32) qui est entièrement recouverte par une plaquette (34 ; 50) en forme de disque cylindrique formée à base de particules de diamant polycristallin et comprenant une paroi latérale cylindrique (40) et une face libre sensiblement plate (36), caractérisé en ce que la plaquette (34 ; 50) est disposée de manière que sa face plate libre (36) fasse avec la normale N à la surface (25) de la formation rocheuse un angle aigu (α), orienté dans le même sens que le sens de déplacement (F) du taillant, de sorte que la plaquette attaque la formation rocheuse par sa paroi latérale (40).
- Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle (β), complémentaire de (α), que fait le plan de la face plate libre (36) de la plaquette avec la surface (25) de la formation rocheuse qui a été forée est compris entre 0 et 25°.
- Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette (34) a une épaisseur constante sur toute la surface du support sur laquelle elle est fixée.
- Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette (50) est fixée sur une face du support (30), qui présente des reliefs en creux (44) et en saillie (46) et qui comporte également à sa périphérie une rainure (48) de profondeur supérieure à celle desdits reliefs en creux, la couche de diamant polycristallin qui constitue la plaquette emplissant lesdits reliefs en creux et recouvrant d'une mince couche les sommets des reliefs en saillie.
- Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette est constituée par un anneau (52) en diamant polycristallin fixé dans une rainure périphérique (54) formée sur le bord d'une face inclinée du support (30), le restant de ladite face du support n'étant pas recouvert de diamant polycristallin, et en ce que le support (30) est percé d'un trou (58) dans la région non recouverte de diamant polycristallin, pour le passage d'une vis destinée à fixer le taillant sur le corps de l'outil monobloc.
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