EP0851092A1 - Drill bit provided with shock absorbers - Google Patents
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- EP0851092A1 EP0851092A1 EP97403045A EP97403045A EP0851092A1 EP 0851092 A1 EP0851092 A1 EP 0851092A1 EP 97403045 A EP97403045 A EP 97403045A EP 97403045 A EP97403045 A EP 97403045A EP 0851092 A1 EP0851092 A1 EP 0851092A1
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B10/00—Drill bits
Definitions
- the present invention relates to a drilling tool which is provided with means for absorbing the trepidation of which it is the seat during drilling.
- These tremors which are generated in particular when the tool encounters heterogeneous or hard layers, can sometimes lead to destruction or damage to certain parts sensitive to the tool, such as the cutting structure.
- EP 0 532 869 discloses a tool for borehole which has a cavity into which a irrigation fluid supply channel, said cavity comprising a thin wall provided with a orifice through which the fluid can flow outside and an opening in which an element is crimped cylindrical flat in elastomeric material.
- the elastomer element deforms like a membrane and its outer surface is applied in contact tight with the wall of the freshly drilled formation, this which has the effect, in the case of a plastic formation, of compact it and protect it from the impact of the fluid irrigation.
- the elastomer block is not likely to dampen the trepidation of the tool.
- the present invention provides a drilling tool provided with damping means which absorb vibrations protect the cutting edges against any damage.
- the drilling tool according to the invention conforms to the characterizing part of claim 1.
- the damping pads in elastomer have been shown to have good resistance to of wear and tear, although they work in conditions extreme stresses, such as high temperature and high shear forces. This quality, combined with their natural elasticity, allows them to dampen vibrations of the drilling tool.
- the tool 10 of FIG. 1 includes a drilling head 12 provided with a tubular end 14 externally threaded which is used to assemble the tool to a train of drive tubes, not shown.
- a plurality of ribs or blades are formed 16 separated by grooves 18.
- each blade On the outer face 20 of each blade are implanted a series of cutting edges 26, of any known type, constituted for example by natural diamond pellets, synthetic diamond, PDC or thermostable diamond.
- the cutters are either set on the blade or carried by tungsten carbide peduncles attached to the tool.
- the tool is provided with a plurality damping elements 28 intended to dampen the the tool is the seat during drilling.
- the damping elements 28 can be fixed on a any part of the tool, for example on the face outside 20 of the blades or on the tool guard.
- the elements shock absorbers 28 are fixed on the conical knobs 30, by example between the cutters 26, or between the rows of cutting edges, or around the wheels, or on the arms 32 which carry the wheels.
- Each damping element 28 is constituted by a stud elastomer which may have any suitable form, for example cylindrical, parallelepiped, cubic, pyramidal, frustoconical or spherical.
- the stud is pressed on a part of its length inside a receptor housing formed on the surface of the tool and the remaining part of its length protrudes outside the housing forming a protrusion relative to the surface of the tool.
- the studs are embedded in the inside of sheaths 34 in the form of a closed-bottomed bowl, said sheaths being themselves fixed in housings blind 36 formed on the surface of the tool. They can also be inserted directly inside the housing 36, without the use of a sheath ( Figure 4).
- the studs have a height above the surface of the tool which can be equal, less than or greater than the height of the cutters above the surface of the tool, so that their vertices can be located respectively at same level, set back or projecting from heights of the heights.
- the pad 28 is separated from the bottom of the accommodation by a bedroom 38.
- room 38 In order to allow hydrostatic pressure balancing which is exerted on the stud, and consequently, the free deformation of the stud, room 38 must communicate with the environment outside. This communication can be done either by a axial channel 42 drilled in the stud, either by a channel 44 drilled in the tool, either again through the two channels at the time. This improves the elasticity of the stud and therefore its damping power.
- FIG. 6 represents a pad 28 in which is embedded a helical spring 46. This spring improves the resistance and the elasticity and damping performance of the pad.
- the pad of Figure 7 is covered on the surface of its protruding part of an anti-abrasion layer 48 relatively hard, made for example of carbide tungsten or by a diamond concretion.
- This stud has a longer service life than previous studs.
- Layer 48 is fixed by means of an annular flange 49 which snaps into an annular groove formed at the part top of the stud, but it can also be fixed by collage.
- the pad 28 is tapered and is protected on its projecting part by an abrasion-resistant cap 50, made of tungsten carbide.
- the hat can itself be covered with a plate in dome shape 51 in PDC.
- the lower part of the stud 28 is forced into the interior of a frustoconical housing of complementary shape formed in a sheath 34.
- the stud shown in Figure 9 has at its base a protruding peripheral flange 52 which fits into a complementary circular groove formed in the wall side of the housing 36 at the bottom level.
- the stud is like this retained against any accidental withdrawal.
- the sheath 34 is retained in the housing 36 by a ring elastic slit 54 which fits into a groove device formed at the entrance to the accommodation.
- FIG. 11 Another way to hold the stud in the housing is illustrated by figure 11.
- the stud is provided at its base with a peripheral flange 52 and it is housed in a ring 56 externally threaded and provided with a counter-bore provided to receive the flange.
- the assembly is done by introducing the stud in the ring by the lower end of the latter, then by screwing the ring into the housing 36.
- the stud does not can no longer leave his home.
- the element shock absorber consists of two parts: a block in elastomer 28 of cylindrical or parallelepiped shape and a pin 58 made of hard material, for example carbide tungsten, which rests on block 28. This presents at mid-height a peripheral groove 60 which gives it a better ability to be compressed.
- the block is received at the inside of a box 62 in the shape of a bowl, of height slightly higher than that of the block.
- the pin 58 has a flat base 66 of the same surface that the elastomer block and fitted in the center of its face upper of a finger 68 of smaller section.
- the housing is made in two parts: a tubular ring 72 threaded externally and a bottom 74 which is screwed at the end bottom of the ring.
- an elastomer block 28 which rests on the bottom 74 and, partially, a ball 78 in steel, tungsten carbide or diamond material. A portion of ball of volume less than half a sphere made protruding from the ring.
- the elastomer block present on its upper surface a hemispherical seat on which the ball rests. This is held in place by a flange 80 of the ring, curved towards the inside.
- none part of the elastomer block 28 is not in contact with the rock. Tool vibrations are transmitted by the tungsten carbide part to the block which absorbs them.
- the damping element illustrated in FIG. 14 is composed of three pieces. It includes a tubular sheath 82, fixed in the housing 36, a tubular sleeve in elastomer 84 which covers the inner wall of the sheath and a central part 86 of steel or tungsten carbide which is immobilized without friction inside the muff. This extends over the entire height of the sheath and protrudes slightly above the end upper sheath. The central part 86 protrudes at the outside of the sheath and its lower end is spaced from the bottom of the sheath.
- the chamber 38 which is formed in the bottom of the housing is connected to the outside, either directly by an axial passage 42 drilled in the central part, either through a passage 44 drilled in the tool.
- the general axis of the damping element is inclined on the side of the direction of movement f of the tool.
- the advantage of this orientation is that it makes it possible to reduce the tilting of the central part 86, since the reaction force F which is exerted on it in the opposite direction to the arrow f admits a component F 1 according to the axis of the part 86 and which therefore has no tilting action on the part.
- the part 86 therefore has a movement essentially directed in the direction of the axis of the housing 36.
- the sleeve 84 which is clamped between a part fixed (sheath 82) and a moving part (the central part 86), is therefore subject to shear forces which dampen the amplitude of the vibrations of the tool.
Abstract
Description
La présente invention concerne un outil de forage qui est muni de moyens permettant d'amortir les trépidations dont il est le siège pendant le forage. Ces trépidations, qui sont générées notamment lorsque l'outil rencontre des couches hétérogènes ou dures, peuvent parfois entraíner la destruction ou l'endommagement de certaines parties sensibles de l'outil, telles que la structure de coupe.The present invention relates to a drilling tool which is provided with means for absorbing the trepidation of which it is the seat during drilling. These tremors, which are generated in particular when the tool encounters heterogeneous or hard layers, can sometimes lead to destruction or damage to certain parts sensitive to the tool, such as the cutting structure.
Pour le brevet US 4 253 533, on connaít un outil de
forage selon le préambule de la revendication 1. Cet outil
est muni de deux patins en élastomère disposés
diamétralement et, entre ces derniers, d'une pluralité de
taillants de coupe en diamant ou analogue. Lesdits patins
ont une hauteur inférieure à celle des taillants, de sorte
que que seules les extrémités de ces derniers font saillie
par rapport à la surface extérieure des patins. La
pénétration des taillants dans la formation est de ce fait
limitée à une profondeur au plus égale à la hauteur dont ils
dépassent les patins. Les taillants ne subissent donc que
des contraintes très inférieures à celles qu'ils auraient
subi s'ils pénétraient de toute leur hauteur dans la
formation.For US Patent 4,253,533, we know a tool
drilling according to the preamble of
Toutefois, ces patins sont complètement inefficaces pour amortir les trépidations dont l'outil est le siège lors du forage.However, these skates are completely ineffective for dampen the tremors of which the tool is the seat during the drilling.
Par le brevet EP 0 532 869, on connaít un outil de forage qui présente une cavité dans laquelle débouche un canal d'amenée d'un fluide d'irrigation, ladite cavité comportant une paroi de faible épaisseur pourvue d'un orifice par lequel le fluide peut s'écouler à l'extérieur et d'une ouverture dans laquelle est serti un élément cylindrique plat en matière élastomère. Sous l'action de la pression qu'exerce le fluide d'irrigation dans la cavité, l'élément en élastomère se déforme à la façon d'une membrane et sa surface extérieure vient s'appliquer en contact étanche avec la paroi de la formation fraíchement forée, ce qui a pour effet, dans le cas d'une formation plastique, de la compacter et de la protéger de l'impact du fluide d'irrigation. On voit qu'ici également, le bloc d'élastomère n'est pas susceptible d'amortir les trépidations de l'outil.EP 0 532 869 discloses a tool for borehole which has a cavity into which a irrigation fluid supply channel, said cavity comprising a thin wall provided with a orifice through which the fluid can flow outside and an opening in which an element is crimped cylindrical flat in elastomeric material. Under the action of pressure exerted by the irrigation fluid in the cavity, the elastomer element deforms like a membrane and its outer surface is applied in contact tight with the wall of the freshly drilled formation, this which has the effect, in the case of a plastic formation, of compact it and protect it from the impact of the fluid irrigation. We see that here also, the elastomer block is not likely to dampen the trepidation of the tool.
La présente invention propose un outil de forage muni de moyens amortisseurs qui permettent d'amortir les vibrations de l'outil et de protéger ainsi les taillants de coupe contre tout dommage.The present invention provides a drilling tool provided with damping means which absorb vibrations protect the cutting edges against any damage.
L'outil de forage selon l'invention est conforme à la
partie caractérisante de la revendication 1.The drilling tool according to the invention conforms to the
characterizing part of
De façon surprenante, les plots amortisseurs en élastomère se sont avérés avoir une bonne résistance vis-à-vis de l'usure, bien qu'ils travaillent dans des conditions de contraintes extrêmes, telles qu'une température élevée et des forces de cisaillement importantes. Cette qualité, alliée à leur élasticité naturelle, leur permet de bien amortir les vibrations de l'outil de forage.Surprisingly, the damping pads in elastomer have been shown to have good resistance to of wear and tear, although they work in conditions extreme stresses, such as high temperature and high shear forces. This quality, combined with their natural elasticity, allows them to dampen vibrations of the drilling tool.
D'autres caractéristiques des éléments amortisseurs de l'invention sont décrites dans les revendications secondaires.Other characteristics of the damping elements the invention are described in the claims secondary.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la
description détaillée qui va suivre faite en regard des
dessins annexés dans lesquels :
L'invention sera expliquée dans le cas de l'outil de
forage monobloc à lames 10 représenté sur la figure 1 et de
l'outil tricône représenté à la figure 3, mais ce choix
n'est pas limitatif car l'invention s'applique également à
tous les types d'outils de forage monoblocs et à molettes
coniques rotatives. The invention will be explained in the case of the
monobloc drilling with
De façon connue en soi, l'outil 10 de la figure 1
comprend une tête de forage 12 munie d'un embout tubulaire
14 fileté extérieurement qui sert à assembler l'outil à un
train de tubes d'entraínement, non représenté. Autour de la
tête sont formées une pluralité de nervures ou lames 16
séparées par des sillons 18.In a manner known per se, the
Sur la face extérieure 20 de chaque lame sont implantés
une série de taillants de coupe 26, de tout type connu,
constitués par exemple par des pastilles en diamant naturel,
en diamant synthétique, en PDC ou en diamant thermostable.
Les taillants sont soit sertis sur la lame, soit portés par
des pédoncules en carbure de tungstène fixés sur l'outil.On the
Selon l'invention, l'outil est muni d'une pluralité
d'éléments amortisseurs 28 destinés à amortir les
trépidations dont l'outil est le siège lors du forage.According to the invention, the tool is provided with a
Les éléments amortisseurs 28 peuvent être fixés sur une
partie quelconque de l'outil, par exemple sur la face
extérieure 20 des lames ou sur la garde de l'outil.The
Dans le cas du tricône de la figure 3, les éléments
amortisseurs 28 sont fixés sur les molettes coniques 30, par
exemple entre les taillants 26, ou entre les rangées de
taillants, ou à la périphérie des molettes, ou encore sur
les bras 32 qui portent les molettes.In the case of the tricone bit in Figure 3, the
Chaque élément amortisseur 28 est constitué par un plot
élastomère pouvant avoir toute forme appropriée, par exemple
cylindrique, parallélépipédique, cubique, pyramidale,
tronconique ou sphérique. Le plot est enfoncé sur une partie
de sa longueur à l'intérieur d'un logement récepteur formé
sur la surface de l'outil et la partie restante de sa
longueur fait saillie à l'extérieur du logement en formant
une protubérance par rapport à la surface de l'outil.Each
Comme le montre la figure 2, les plots sont enchâssés à
l'intérieur de gaines 34 en forme de cuvette à fond fermé,
lesdites gaines étant elles-même fixées dans des logements
borgnes 36 formés sur la surface de l'outil. Ils peuvent
également être insérés directement à l'intérieur du logement
36, sans utilisation de gaine (figure 4). As shown in Figure 2, the studs are embedded in
the inside of
Les plots ont une hauteur au-dessus de la surface de l'outil qui peut être égale, inférieure ou supérieure à la hauteur des taillants au-dessus de la surface de l'outil, de sorte que leurs sommets peuvent se trouver respectivement au même niveau, en retrait ou en saillie par rapport aux sommets des taillants.The studs have a height above the surface of the tool which can be equal, less than or greater than the height of the cutters above the surface of the tool, so that their vertices can be located respectively at same level, set back or projecting from heights of the heights.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, le plot 28
est séparé du fond du logement par une chambre 38. Afin de
permettre un équilibrage de la pression hydrostatique qui
s'exerce sur le plot, et par suite, la libre déformation du
plot, la chambre 38 doit communiquer avec le milieu
extérieur. Cette communication peut se faire soit par un
canal axial 42 percé dans le plot, soit par un canal 44
percé dans l'outil, soit encore par les deux canaux à la
fois. On améliore ainsi l'élasticité du plot et donc son
pouvoir amortisseur.In the embodiment of Figure 5, the
La figure 6 représente un plot 28 dans lequel est noyé
un ressort hélicoïdal 46. Ce ressort améliore la résistance
et les performances d'élasticité et d'amortissement du plot.FIG. 6 represents a
Le plot de la figure 7 est recouvert sur la surface de
sa partie saillante d'une couche anti-abrasion 48
relativement dure, constituée par exemple en carbure de
tungstène ou par une concrétion diamantée. Ce plot a une
plus longue durée de vie que les plots précédents. La couche
48 est fixée au moyen d'une bride annulaire 49 qui
s'encliquette dans une rainure annulaire formée à la partie
supérieure du plot, mais elle peut être fixée également par
collage.The pad of Figure 7 is covered on the surface of
its protruding part of an
Dans le mode de réalisation de la figure 8, le plot 28
est tronconique et est protégé sur sa partie saillante par
un chapeau anti-abrasion 50, en carbure de tungstène. Le
chapeau peut être lui-même recouvert d'une plaquette en
forme de dôme 51 en PDC. La partie inférieure du plot 28 est
enchâssée à force à l'intérieur d'un logement tronconique de
forme complémentaire formé dans une gaine 34.In the embodiment of Figure 8, the
Le plot représenté à la figure 9 comporte à sa base une
bride périphérique saillante 52 qui vient s'insérer dans une
rainure circulaire complémentaire formée dans la paroi
latérale du logement 36 au niveau de fond. Le plot est ainsi
retenu contre tout retrait accidentel.The stud shown in Figure 9 has at its base a
protruding
Dans la variante de réalisation de la figure 10, la
gaine 34 est retenue dans le logement 36 par une bague
fendue élastique 54 qui s'insère dans une rainure
périphérique formée à l'entrée du logement.In the alternative embodiment of FIG. 10, the
Un autre moyen de retenir le plot dans le logement est
illustré par la figure 11. Le plot est muni à sa base d'une
bride périphérique 52 et il est logé dans une bague 56
filetée extérieurement et pourvue d'un contre-alésage prévu
pour recevoir la bride. Le montage se fait en introduisant
le plot dans la bague par l'extrémité inférieure de celle-ci,
puis en vissant la bague dans le logement 36. Le plot ne
peut alors plus sortir de son logement.Another way to hold the stud in the housing is
illustrated by figure 11. The stud is provided at its base with a
Dans le mode de réalisation de la figure 12, l'élément
amortisseur est constitué de deux pièces : un bloc en
élastomère 28 de forme cylindrique ou parallélépipédique et
un pion 58 en matière dure, par exemple en carbure de
tungstène, qui prend appui sur le bloc 28. Celui-ci présente
à mi-hauteur une gorge périphérique 60 qui lui confère une
meilleure aptitude à être comprimé. Le bloc est reçu à
l'intérieur d'un boítier 62 en forme de cuvette, de hauteur
légèrement supérieure à celle du bloc.In the embodiment of Figure 12, the element
shock absorber consists of two parts: a block in
Le pion 58 comporte une embase plate 66 de même surface
que le bloc d'élastomère et munie au centre de sa face
supérieure d'un doigt 68 de plus faible section. Lors de
l'assemblage, on enfonce le bloc dans le boítier jusqu'à ce
qu'il vienne en contact du fond, puis on introduit l'embase
du pion dans le boítier et l'on rabat par estampage les
bords supérieurs 69 du boítier sur l'embase. Celle-ci se
trouve alors prise en sandwich entre ledit bord rabattu et
le bloc d'élastomère. Le doigt 68 fait saillie hors du
boítier à travers un orifice 70 de section légèrement
supérieure à celle du doigt. L'ensemble ainsi formé est
ensuite fixé sur l'outil.The
Dans le mode de réalisation de la figure 13, le boítier
est réalisé en deux parties : une bague tubulaire 72 filetée
extérieurement et un fond 74 qui est vissé à l'extrémité
inférieure de la bague.In the embodiment of Figure 13, the housing
is made in two parts: a
Dans ce boítier, sont logés un bloc d'élastomère 28 qui
repose sur le fond 74 et, partiellement, une bille 78 en
acier, en carbure de tungstène ou en matériau diamanté. Une
portion de bille de volume inférieur à une demi-sphère fait
saillie hors de la bague.In this housing, are housed an
Le bloc d'élastomère présente sur sa surface supérieure
un siège hémisphérique sur lequel la bille repose. Celle-ci
est retenue en place par un rebord 80 de la bague, incurvée
vers l'intérieur.The elastomer block present on its upper surface
a hemispherical seat on which the ball rests. This
is held in place by a
Dans les deux modes de réalisation précédents, aucune
partie du bloc d'élastomère 28 n'est en contact avec la
roche. Les vibrations de l'outil sont transmises par la
pièce en carbure de tungstène au bloc qui les amortit.In the two previous embodiments, none
part of the
L'élément amortisseur illustré par la figure 14 est
composé de trois pièces. Il comprend une gaine tubulaire 82,
fixée dans le logement 36, un manchon tubulaire en
élastomère 84 qui revêt la paroi intérieure de la gaine et
une pièce centrale 86 en acier ou en carbure de tungstène
qui est immobilisée sans frottement à l'intérieur du
manchon. Celui-ci s'étend sur toute la hauteur de la gaine
et fait légèrement saillie au-dessus de l'extrémité
supérieure de la gaine. La pièce centrale 86 fait saillie à
l'extérieur de la gaine et son extrémité inférieure est
espacée du fond de la gaine.The damping element illustrated in FIG. 14 is
composed of three pieces. It includes a
Comme dans le mode de réalisation de la figure 5, la
chambre 38 qui est formée dans le fond du logement est
reliée à l'extérieur, soit directement par un passage axial
42 percé dans la pièce centrale, soit à travers un passage
44 percé dans l'outil.As in the embodiment of FIG. 5, the
A la différence des modes de réalisation précédents,
l'axe général de l'élément amortisseur est incliné du côté
du sens de déplacement f de l'outil. L'avantage de cette
orientation est qu'elle permet de réduire le basculement de
la pièce centrale 86, puisque la force de réaction F qui
s'exerce sur celle-ci en sens inverse de la flèche f admet
une composante F1 selon l'axe de la pièce 86 et qui n'exerce
donc pas d'action de basculement sur la pièce.Unlike the previous embodiments, the general axis of the damping element is inclined on the side of the direction of movement f of the tool. The advantage of this orientation is that it makes it possible to reduce the tilting of the
En fonctionnement, la pièce 86 a donc un mouvement
alternatif essentiellement dirigé dans le sens de l'axe du
logement 36. Le manchon 84, qui est serré entre une pièce
fixe (la gaine 82) et une pièce mobile (la pièce centrale
86), est de ce fait soumis à des forces de cisaillement
importantes qui amortissent l'amplitude des vibrations de
l'outil.In operation, the
Claims (19)
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