EP1259698A1 - Procede de forage auto-penetrant et outil generateur de poussee permettant de mettre en oeuvre le procede - Google Patents

Procede de forage auto-penetrant et outil generateur de poussee permettant de mettre en oeuvre le procede

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EP1259698A1
EP1259698A1 EP01907766A EP01907766A EP1259698A1 EP 1259698 A1 EP1259698 A1 EP 1259698A1 EP 01907766 A EP01907766 A EP 01907766A EP 01907766 A EP01907766 A EP 01907766A EP 1259698 A1 EP1259698 A1 EP 1259698A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
tool
blade
axis
rotation
cutting
Prior art date
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EP01907766A
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German (de)
English (en)
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EP1259698B1 (fr
Inventor
Christophe Simon
Hedi Sellami
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Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
Original Assignee
Association pour la Recherche et le Developpement des Methodes et Processus Industriels
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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
    • E21B10/42—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits
    • E21B10/43—Rotary drag type drill bits with teeth, blades or like cutting elements, e.g. fork-type bits, fish tail bits characterised by the arrangement of teeth or other cutting elements
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/54—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of the rotary drag type, e.g. fork-type bits
    • E21B10/55—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of the rotary drag type, e.g. fork-type bits with preformed cutting elements

Definitions

  • the present invention relates to a self-penetrating drilling method and a thrust generating tool for implementing the method.
  • a monobloc drilling tool has two main parts: an internal part called “tool nose” whose cutters dig on the bottom of the borehole and an external part called “tool side” whose cutters dig mainly on the wall drilling.
  • the invention relates more particularly to the method of cutting the cutting substructure constituting the side of the tool.
  • the invention also relates to the cutting substructure making it possible to implement the method.
  • Method The method according to the invention comprises the step of generating, by means of a drilling tool actuated in rotation around of an axis, a thrust parallel to the direction of said axis and directed in the direction of advance of said tool in the rock.
  • the method is such that said thrust on said drilling tool is the result of the reaction of the rock on the drilling tool during the mechanical action of cutting the rock by the drilling tool.
  • the tool comprises N numbered blades of
  • Each blade is wound in a spiral around the axis of the tool and is inclined relative to the latter.
  • the part of the blade closest to the tool nose is also the closest to the axis of the tool.
  • Each blade has K cutting edges.
  • the first cutter is the cutter closest to the axis and nose of the tool.
  • Each cutter is designated by two indices:
  • the first index n varying from 1 to N
  • the second index k varying from 1 to K
  • the kth cutting edge of the nth blade will be called the cutting edge T (n,).
  • Each cutter has a face, hereinafter called the attack face, resting on the rock.
  • the geometries, the positions and the orientations of all or part of said cutters are calculated by respecting the following rules:
  • the normal to the cutting edge of the cutting edge has a component along the axis of rotation oriented upstream.
  • the invention also relates to a self-penetrating drilling tool intended for drilling a well in a rock.
  • the drilling tool actuated in rotation about an axis, comprises a substructure constituting the side of the tool, generating a thrust parallel to the direction of said axis and directed in the direction of advancement of said tool in the rock.
  • the drilling tool is such that said thrust on said drilling tool is the result of the reaction of the rock on the drilling tool during the mechanical action of cutting the rock with 1 ' drilling tool.
  • the tool comprises N numbered blades of
  • Each blade is wound in a spiral around the axis of the tool and is inclined relative to it. The part of the blade closest to the tool nose is also the closest to the axis of the tool.
  • Each blade has K cutting edges. The first cutter is the cutter closest to the axis and head of the tool. Each cutter is designated by two indices:
  • each cutter has a face, hereinafter called the attack face, resting on the rock.
  • the geometries, positions and orientations of all or part of said cutting edges are such that: - the kth cutting edge of the last blade, T (N, k), digs in (ql) th round R (ql) of rotation of the tool a groove in the rock downstream from that made by the (k + l) th cutting edge of the first blade, T (l, k + 1), on the qth turn Rq of rotation of the tool, - the kth cutting edge of the nth blade, T (n, k), digs in the qth turn Rq of rotation of the tool a groove in the rock downstream from that made by the kth cutting of the (n + l) th blade, T (n + l, k), on the qth turn Rq of rotation of the tool, - the normal to the leading face of the cutter has a component along the axis of rotation oriented towards the upstream.
  • FIG. 1 which represents a perspective view of a drilling tool according to the invention comprising four blades and four cutting edges per blade
  • the local reference marks (Xi, Yi, Zi) and the global reference point (Xo, Yo, Zo) have also been represented with respect to which the position of the cutters is defined
  • FIG. 2 which represents a bottom view of a drilling tool
  • FIG. 3 which represents the geometry of a cutter
  • FIG. 4 which represents the position and the orientation of a cutter in a local coordinate system (Xi, Yi, Zi)
  • FIG. 5 which represents a perspective view of the interactions between the cutters and the rock
  • FIG. 1 which represents a perspective view of a drilling tool according to the invention comprising four blades and four cutting edges per blade
  • the local reference marks (Xi, Yi, Zi) and the global reference point (Xo, Yo, Zo) have also been represented with respect to which the position of the cutters is defined
  • FIG. 2 which represents a bottom view of a drilling tool
  • FIG. 3 which represents the geometry of a
  • FIG. 6 which represents, in the case of a tool comprising four blades and two cutters, position and or- dre of passage of the cutting edges in a fixed plane of the space passing through the axis of rotation of the tool
  • FIG. 7 which graphically represents, in the case of a tool comprising four blades and two cutting edges, the developed of the cutting structure along one axis of penetration and the order of passage of the cutting edges
  • FIG. 8 which represents a schematic perspective view of the elementary interaction between a cutting edge and the rock.
  • FIG. 1 represents a perspective view of a drilling tool 1 according to the invention comprising four blades 2a, 2b, 2c, 2d and four cutters 3a, 3b, 3c, 3d per blade.
  • a local coordinate system (Xi, Yi, Zi) and the global coordinate system (Xo, Yo, Zo) have also been shown with respect to which the position (ri, zi, ⁇ i) of the cutters is defined.
  • the tool is actuated in rotation about an axis 4 (Zo axis).
  • the four blades 2a, 2b, 2c, 2d are numbered from 1 to 4 in the opposite direction 5 of rotation.
  • the first blade is that which carries the cutting edge closest to the axis of the tool; it is numbered 1 and corresponds to the blade 2a in FIG. 1.
  • the blades 2b, 2c, 2d are numbered 2, 3, 4.
  • Each blade 2a, 2b, 2c, 2d is wound in an ascending spiral around 1 ' axis 4 of the tool 1 and is inclined relative thereto.
  • the part 2al of the blade 2a closest to the nose 1a of the tool 1 is also the closest to the axis 4 of the latter.
  • Each blade has four cutting edges.
  • the blade 2a carries the cutting edges 3a, 3b, 3c, 3d.
  • the first cutter of each blade is the cutter closest to the axis 4 and the nose of the tool 1.
  • the first cutter of the blade 2a is the cutter 3a.
  • the cutting edges 3b, 3c, 3d are the second, third and fourth cutting edges of the blade 2a.
  • Each cutter is designated by two indices: the first index n, varying from 1 to 4, corresponds to the number of the blade which carries the said cutting edge considered,
  • the second index k corresponds to the position of the cutting edge considered on the blade starting from the first cutting edge
  • the kth cutting edge of the nth blade will be called the cutting edge T (n, k).
  • the second cutting edge 3b of the first blade 2a is called the cutting edge T (l, 2).
  • Each cutter has: - a face, hereinafter called the attack face, resting on the rock,
  • the axis Zi is inclined at an angle ⁇ i relative to the axis 4.
  • the axis Xi is carried by the perpendicular to the axis Zi, located in the meridian plane, passing through the point of contact 3b3.
  • the axis Yi, perpendicular to the axis Zi and to the axis Xi at the point of contact 3b3, completes the orthonormal reference frame Xi, Yi, Zi originating from the point of contact 3b3.
  • the coordinates of the origin of the orthonormal coordinate system Xi, Yi, Zi in the coordinate system Xo, Yo, Zo are Zi, ri, ⁇ i.
  • the cut diamond 30 is in the form of a plate substantially in a quarter circle.
  • FIG. 4 shows the leading face ⁇ l, referenced 3bl, the cutting edge, referenced 3b2, the point of contact with the rock, referenced 3b3.
  • the relative position of the draft plane ⁇ 2, referenced 32, and of the lateral draft plane ⁇ 3, referenced 33, is also shown relative to the leading face 3bl.
  • the draft plane ⁇ 2, 32, is substantially perpendicular to the leading face 3bl and substantially parallel to the plane (Xi, Yi).
  • the lateral draft plane ⁇ 3, 33 is substantially perpendicular to the leading face 3bl as well as to the plane (Xi, Yi).
  • the notations ⁇ l3, ⁇ l2, ⁇ 23 respectively denote the angles of the dihedrons ( ⁇ l, ⁇ 3),
  • angles preferably have particular values between 80 ° and 120 °.
  • FIG. 4 represents the position and the orientation of a cutting edge in a local coordinate system (Xi, Yi, Zi).
  • the cutting angle ⁇ c is between 0 ° and 40 °
  • the lateral angle ⁇ s is between 30 ° and 80 °
  • the clearance angle ⁇ d is between 0 ° and 10 °.
  • the geometries, positions and orientations of all or part of said cutting edges are calculated by respecting the following rules: - the kth cutting edge of the last blade, T (N, k), digs in (ql) th round R (ql) of rotation of the tool a groove in the rock downstream from that made by the (k + l) th cutting of the first blade, T (l, k + 1), on the qth round Rq of rotation of the tool, - the kth cutting of the nth blade, T (n, k), digs in the qth round Rq of rotation of the tool a groove in the rock downstream from that performed by the kth cutter of the (n + l) th blade, T (n + l, k), at the qth turn Rq of rotation of the tool, - the normal to the leading face of the cutter has a component according to the axis of rotation oriented upstream.
  • FIG. 5 represents a perspective view of the interactions between the cutters and the rock 51, the elements described with reference to the figure 1. They have the same reference numbers.
  • PC (n, k) will designate the contact point of the cutting edge T (n, k).
  • FIG. 6 there is shown, in the case of a tool comprising four blades with two cutting edges, the position and the order of passage 61 of the cutting edges in a fixed plane passing through the axis of the tool . It can be seen that, as the tool rotates, the grooves ⁇ Oi are made in the rock 60 by the cutters, upstream of a groove 60j previously made by another cutter.
  • Figure 7 there is shown graphically, in the case of a tool comprising four blades with two cutting edges, the development of the cutting structure along the axis of penetration (z axis) and the order of passage 61 of the cutting edges .
  • FIG 8 there is shown a schematic perspective view of one elementary interaction between a cutter T (n, k) and the rock 70.
  • the leading face 71 is supported on the rock in the direction of movement 72 of the cutting and digging a groove 73.
  • the drilling tool moves from upstream to downstream in the direction indicated by the arrow 74.
  • the reaction forces of the rock on the cutter exert a directed thrust in the direction of the arrow 74.
  • the lateral inclination ⁇ cin of the cutting front is chosen at the advancing step ⁇ cin. It is specified that when the tool drills along its axis at the advancement step per revolution ⁇ cin, the grooves dug by the cutting edges of each blade during the same revolution are aligned along a line inclined to ⁇ cin relative to the horizontal plane as shown in figure 6.
  • the lateral inclination ⁇ i of the cutting edges is chosen so as to ensure the non-hooking of the draft plane ⁇ 2.
  • the lateral inclination ⁇ i is the inclination of the axis Zi of the frame of the ith cutting edge relative to the axis Zo as indicated in FIG. 1.
  • the cutting angle ⁇ c is less than or equal to 30 °.
  • the lateral angle ⁇ s is greater than or equal to 60 °.
  • the lateral inclination ⁇ cin of the cutting front is greater than or equal to 50 °.
  • the lateral inclination of the cutting edges ⁇ i is greater than or equal to the lateral inclination ⁇ cin of the cutting edge.
  • the height h of the rectangular section of the groove is greater than or equal to 1 mm.
  • the width d of the rectangular section of the groove is less than or equal to twice the height h of the rectangular section of the groove.
  • a person skilled in the art having these explanations is able to determine by successive iterations the geometries, the positions and the orientations of said cutters so as to generate a thrust directed in the direction of advance of the drilling tool in the rock.

Abstract

L'invention concerne un procédé de forage auto-pénétrant et un outil générateur de poussée: l'outil (1) comprend N lames (2a, 2b, 2c, 2d). Chaque lame comporte K taillants (3a, 3b, 3c, 3d). Les géométries, les positions et les orientations desdits taillants sont déterminées de la façon suivante: - le kième taillant de la dernière lame creuse, au (q-1)ième tour de rotation de l'outil, une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le (k+1)ième taillant de la première lame au qième tour de rotation de l'outil, - le kième taillant de la nième lame creuse, au qième tour de rotation de l'outil, une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le kième taillant de la (n+1)ième lame au qième tour de rotation de l'outil, - la normale à la face d'attaque du taillant a une composante selon l'axe de rotation orientée vers l'amont.

Description

PROCEDE DE FORAGE AUTO-PENETRANT ET OUTIL GENERATEUR DE POUSSEE PERMETTANT DE METTRE EN OEUVRE LE PROCÉDÉ
La présente invention concerne un procédé de forage auto-pénétrant et un outil générateur de poussée permettant de mettre en oeuvre le procédé.
La tendance actuelle du forage dirigé est de réaliser des puits présentant un déport latéral de plus en plus important . Pour des raisons de frottement de la garniture au fond du trou dans les parties inclinées et horizontales, le déport se trouve limité car il n'est plus possible de transmettre le poids à l'outil. Un outil de forage monobloc comporte deux parties principales : une partie intérieure appelée "nez de l'outil" dont les taillants creusent sur le fond du forage et une partie extérieure appelée "flanc de l'outil" dont les taillants creusent principalement sur la paroi du forage. L'invention concerne plus particulièrement le procédé de coupe de la sous-structure de coupe constituant le flanc de l'outil. L'invention concerne également la sous-structure de coupe permettant de mettre en oeuvre le procédé. Procédé Le procédé selon l'invention comprend l'étape de générer, au moyen d'un outil de forage actionné en rotation autour d'un axe, une poussée parallèle à la direction dudit axe et dirigée dans le sens d'avancement dudit outil dans la roche.
Ainsi, il est possible de réduire ou d'annuler (autopénétration) les besoins en poids de l'outil et permettre ainsi d'augmenter les possibilités d'extension en forage horizontal.
Dans une réalisation, le procédé est tel que ladite poussée sur ledit outil de forage est le résultat de la réaction de la roche sur l'outil de forage lors de l'action mécanique de coupe de la roche par l'outil de forage. De préférence, l'outil comprend N lames numérotées de
1 à N dans le sens inverse de la rotation. Chaque lame est enroulée en spirale autour de l'axe de l'outil et est inclinée par rapport à celui-ci. La partie de la lame la plus proche du nez de l'outil est également la plus proche de l'axe de celui- ci. Chaque lame comporte K taillants. Le premier taillant est le taillant le plus proche de l'axe et du nez de l'outil. Chaque taillant est désigné par deux indices :
- le premier indice n, variant de 1 à N, correspond au numéro de la lame qui porte ledit taillant considéré, - le second indice k, variant de 1 à K, correspond à la position du taillant considéré sur la lame en partant du premier taillant.
Ainsi, le kième taillant de la nième lame sera dénommé le taillant T(n, ) . Chaque taillant a une face, ci-après dénommée face d'attaque, prenant appui sur la roche.
De préférence selon l'invention, pour générer une poussée dans la direction d'avancement de l'outil, on calcule les géométries, les positions et les orientations de tout ou partie desdits taillants en respectant les règles suivantes :
- le kième taillant de la dernière lame, T(N,k), creuse au (q-l)ième tour R(q-l) de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le (k+l)ième taillant de la première lame, T(l,k+1), au qième tour Rq de rotation de l'outil, - le kième taillant de la nième lame, T(n,k), creuse au qième tour Rq de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le kième taillant de la (n+l)ième lame, T(n+l,k), au qième tour Rq de rotation de l'outil,
- la normale à la face d'attaque du taillant a une composante selon 1 ' axe de rotation orientée vers 1 ' amont .
Outil
L'invention concerne également un outil de forage auto-pénétrant destiné au forage d'un puits dans une roche. L'outil de forage, actionné en rotation autour d'un axe, comporte une sous-structure constituant le flanc de l'outil, générant une poussée parallèle à la direction dudit axe et dirigée dans le sens d'avancement dudit outil dans la roche. Selon un mode de réalisation, l'outil de forage est tel que ladite poussée sur ledit outil de forage soit le résultat de la réaction de la roche sur l'outil de forage lors de 1 ' action mécanique de coupe de la roche par 1 ' outil de forage . De préférence, l'outil comprend N lames numérotées de
1 à N dans le sens inverse de la rotation. Chaque lame est enroulée en spirale autour de 1 ' axe de 1 ' outil et est inclinée par rapport à celui-ci . La partie de la lame la plus proche du nez de l'outil est également la plus proche de l'axe de celui- ci. Chaque lame comporte K taillants. Le premier taillant est le taillant le plus proche de l'axe et de la tête de l'outil. Chaque taillant est désigné par deux indices :
- le premier indice n, variant de 1 à N, correspond au numéro de la lame qui porte ledit taillant considéré, - le second indice k, variant de 1 à K, correspond à la position du taillant considéré sur la lame en partant du premier taillant, de sorte que le kième taillant de la nième lame sera dénommé le taillant T(n,k). Chaque taillant a une face, ci-après dénommée face d'attaque, prenant appui sur la roche.
Les géométries, les positions et les orientations de tout ou partie desdits taillants sont telles que : - le kième taillant de la dernière lame, T(N,k), creuse au (q-l)ième tour R(q-l) de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le (k+l)ième taillant de la première lame, T(l,k+1), au qième tour Rq de rotation de l'outil, - le kième taillant de la nième lame, T(n,k), creuse au qième tour Rq de rotation de 1 ' outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le kième taillant de la (n+l)ième lame, T(n+l,k), au qième tour Rq de rotation de l'outil, - la normale à la face d'attaque du taillant a une composante selon 1 ' axe de rotation orientée vers 1 ' amont .
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de variantes de réalisation de l'invention, données à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et de : la figure 1 qui représente une vue en perspective d'un outil de forage selon l'invention comprenant quatre lames et quatre taillants par lame, sur cette figure, on a également représenté les repères locaux (Xi, Yi, Zi) et le repère global (Xo, Yo, Zo) par rapport auxquels on définit la position des taillants, la figure 2 qui représente une vue de dessous d'un outil de forage, la figure 3 qui représente la géométrie d'un taillant, la figure 4 qui représente la position et l'orientation d'un taillant dans un repère local (Xi, Yi, Zi) , la figure 5 qui représente une vue en perspective des interactions entre les taillants et la roche, la figure 6 qui représente, dans le cas d'un outil comportant quatre lames et deux taillants, la position et l'or- dre de passage des taillants dans un plan fixe de l'espace passant par l'axe de rotation de l'outil, la figure 7 qui représente graphiquement, dans le cas d'un outil comportant quatre lames et deux taillants, la déve- loppée de la structure de coupe selon 1 ' axe de pénétration et l'ordre de passage des taillants, et la figure 8 qui représente une vue schématique en perspective de l'interaction élémentaire entre un taillant et la roche . On va maintenant décrire les variantes de réalisation de l'outil de forage selon l'invention représentées sur les figures .
La figure 1 représente une vue en perspective d'un outil de forage 1 selon l'invention comprenant quatre lames 2a, 2b, 2c, 2d et quatre taillants 3a, 3b, 3c, 3d par lame. Sur cette figure, on a également représenté un repère local (Xi, Yi, Zi) et le repère global (Xo, Yo, Zo) par rapport auquel on définit la position (ri, zi, θi) des taillants. L'outil est actionné en rotation autour d'un axe 4 (axe Zo) . Les quatre lames 2a, 2b, 2c, 2d sont numérotées de 1 à 4 dans le sens inverse 5 de la rotation. Par convention, la première lame est celle qui porte le taillant le plus proche de l'axe de l'outil ; elle est numérotée 1 et correspond à la lame 2a sur la figure 1. Respectivement, les lames 2b, 2c, 2d sont numérotées 2, 3, 4. Chaque lame 2a, 2b, 2c, 2d est enroulée en spirale ascendante autour de 1 ' axe 4 de 1 ' outil 1 et est inclinée par rapport à celui-ci . La partie 2al de la lame 2a la plus proche du nez la de l'outil 1 est également la plus proche de l'axe 4 de celui-ci.
Chaque lame comporte quatre taillants. Ainsi la lame 2a porte les taillants 3a, 3b, 3c, 3d. Par convention, le premier taillant de chaque lame est le taillant le plus proche de l'axe 4 et du nez la de l'outil 1. Ainsi, le premier taillant de la lame 2a est le taillant 3a. Respectivement, les taillants 3b, 3c, 3d sont les deuxième, troisième et quatrième taillants de la lame 2a. Chaque taillant est désigné par deux indices : - le premier indice n, variant de 1 à 4, correspond au numéro de la lame qui porte ledit taillant considéré,
- le second indice k, variant de 1 à 4, correspond à la position du taillant considéré sur la lame en partant du pre- mier taillant,
Ainsi, le kième taillant de la nième lame sera dénommé le taillant T(n,k). Par exemple, le deuxième taillant 3b de la première lame 2a est dénommé le taillant T(l,2). Chaque taillant a : - une face, ci-après dénommée face d'attaque, prenant appui sur la roche,
- une arrête de coupe,
- un point de contact.
Dans le cas du taillant 3b, T(l,2), la face d'attaque porte la référence 3bl, l'arrête de coupe porte la référence 3b2 et le point de contact porte la référence 3b3. On va illustrer en se référant au taillant 3b, T(l,2), comment on construit le repère local (Xi, Yi, Zi) par rapport auquel la position du taillant 3b, T(l,2), est définie. L'axe Zi est situé dans le plan méridien passant par l'axe 4 et par le point de contact
3b3. L'axe Zi est incliné d'un angle βi par rapport à l'axe 4. L'axe Xi est porté par la perpendiculaire à l'axe Zi, située dans le plan méridien, passant par le point de contact 3b3. L'axe Yi, perpendiculaire à l'axe Zi et à l'axe Xi au point de contact 3b3, complète le repère orthonormé Xi, Yi, Zi ayant pour origine le point de contact 3b3. Les coordonnées de 1 ' origine du repère orthonormé Xi, Yi, Zi dans le repère Xo, Yo, Zo sont Zi, ri, θi.
On reconnaît, sur la figure 2 qui représente une vue de dessous de l'outil de forage 1, la plupart des éléments décrits en se référant à la figure 1. Ils portent les mêmes références .
On va maintenant décrire, en se référant à la figure 3, la structure et la géométrie d'un taillant élémentaire (par exemple le taillant 3b) . Le diamant de coupe 30 se présente sous la forme d'une plaquette sensiblement en quart de cercle.
On ne voit pas la forme en quart de cercle sur les figures 1, 2 et 5 car une partie du taillant se trouve à l'in- térieur de la lame pour permettre sa fixation. On a représenté, pour le taillant 3c, la partie cachée en pointillé sur les figures 1, 2 et 5.
Le diamant de coupe 30 est solidarisé de manière connue en soi (notamment par brasage) avec un corps 31 en car- bure de tungstène. On a représenté, sur la figure 4, la face d'attaque πl, référencée 3bl, l'arrête de coupe, référencée 3b2, le point de contact avec la roche, référencé 3b3. On a également représenté la position relative du plan de dépouille π2, référencé 32, et du plan de dépouille latéral π3, référencé 33, par rapport à la face d'attaque 3bl. Le plan de dépouille π2, 32, est sensiblement perpendiculaire à la face d'attaque 3bl et sensiblement parallèle au plan (Xi, Yi) . Le plan de dépouille latéral π3, 33, est sensiblement perpendiculaire à la face d'attaque 3bl ainsi qu'au plan (Xi, Yi) . Les notations αl3, αl2, α23, désignent respectivement les angles des dièdres (πl,π3),
(πl,π2), et (π2,π3) . On verra ci-après que ces angles ont, de préférence, des valeurs particulières comprises entre 80° et 120°.
On va maintenant décrire la figure 4 qui représente la position et l'orientation d'un taillant dans un repère local (Xi, Yi, Zi) .
Dans la suite de la description, on appellera :
- angle de coupe ωc, l'angle d'inclinaison de la normale Ni à la face d'attaque 3bl par rapport au plan Xi, Yi, - angle de latéral ωs, l'angle de l'axe Yi avec la projection de la normale Ni à la face d'attaque 3bl sur le plan Xi, Yi,
- angle de dégagement ωd, l'angle d'inclinaison de l'arrête de coupe 3b2 par rapport au plan Xi, Yi. On verra ci-après que ces angles ont, de préférence, des valeurs particulières à savoir : l'angle de coupe ωc est compris entre 0° et 40°, l'angle de latéral ωs, est compris entre 30° et 80° et l'angle de dégagement ωd est compris entre 0° et 10°.
Pour générer une poussée dans la direction d'avancement de l'outil, on calcule les géométries, les positions et les orientations de tout ou partie desdits taillants en respectant les règles suivantes : - le kième taillant de la dernière lame, T(N,k), creuse au (q-l)ième tour R(q-l) de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le (k+l)ième taillant de la première lame, T(l,k+1), au qième tour Rq de rotation de l'outil, - le kième taillant de la nième lame, T(n,k), creuse au qième tour Rq de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le kième taillant de la (n+l)ième lame, T(n+l,k), au qième tour Rq de rotation de l'outil, - la normale à la face d'attaque du taillant a une composante selon l'axe de rotation orientée vers l'amont.
On va maintenant expliciter ces règles en se référant aux figures 5, 6, 7 et 8. On reconnaît sur la figure 5, qui représente une vue en perspective des interactions entre les taillants et la roche 51, les éléments décrits en se référant à la figure 1. Ils portent les mêmes références numériques. Dans la suite de la description, on désignera par PC (n, k) le point de contact du taillant T(n,k). On a matérialisé par des traits pointillés fléchés 50 les trajectoires orientées de certains points de contact.
On constate que le point de contact PC (4, 4) du taillant T(4,4) vient creuser une saignée 51a dans la roche 51 en amont d'une saignée 51b précédemment creusée par un autre taillant. De même, on constate que le point de contact PC (1,4) du taillant T(l,4) vient creuser une saignée 51c en amont d'une saignée 51d précédemment creusée par un autre taillant.
De même, on constate que le point de contact PC (2, 3) du taillant T(2,3) va creuser une saignée 51e dans la roche 51 en amont de la saignée 51f qui sera creusée préalablement par le point de contact PC (1,3) du taillant T(l,3).
De même, on constate que le point de contact PC (2,1) du taillant T(2,l) va creuser une saignée 51i en amont de la saignée 51j qui sera creusée préalablement par le point de contact PC (1,1) du taillant T(l,l).
De même, on constate que le point de contact PC (2, 2) du taillant T(2,2) va creuser une saignée 51g en amont de la saignée 51h qui sera creusée préalablement par le point de contact PC(1,2) du taillant T(l,2).
Sur le schéma de la figure 6, on a représenté, dans le cas d'un outil comportant quatre lames à deux taillants, la position et 1 ' ordre de passage 61 des taillants dans un plan fixe passant par l'axe de l'outil. On constate, qu'au fur et à mesure de la rotation de l'outil, les saignées βOi sont effectuées dans la roche 60 par les taillants, en amont d'une saignée 60j préalablement effectuée par un autre taillant.
Sur la figure 7, on a représenté graphiquement, dans le cas d'un outil comportant quatre lames à deux taillants, la développée de la structure de coupe selon l'axe de pénétration (axe z) et l'ordre de passage 61 des taillants.
Sur la figure 8, on a représenté une vue schématique en perspective de 1 ' interaction élémentaire entre un taillant T(n,k) et la roche 70. La face d'attaque 71 prend appui sur la roche dans le sens de déplacement 72 du taillant et creuse une saignée 73. L'outil de forage se déplace de l'amont vers l'aval dans le sens indiqué par la flèche 74. Les forces de réaction de la roche sur le taillant exercent une poussée dirigée dans le sens de la flèche 74. On va maintenant décrire les étapes principales du calcul permettant de déterminer les géométries, les positions et les orientations desdits taillants permettant d'obtenir les processus de coupe qui viennent d'être décrits et la génération d'une poussée dirigée dans le sens d'avancement de l'outil de forage dans la roche.
- On choisit le pas d'avancement par tour de l'outil δcin.
- On choisit 1 ' inclinaison latérale βcin du front de coupe au pas d'avancement δcin. Il est précisé que lorsque l'outil fore suivant son axe au pas d'avancement par tour δcin, les saignées creusées par les kièmes taillants de chaque lame au cours d'un même tour s'alignent suivant une droite inclinée à βcin par rapport au plan horizontal comme indiqué sur la figure 6.
- On choisit la hauteur h et la largeur d de la section rectangulaire de la saignée élémentaire réalisée par les taillants.
- On choisit l'angle de coupe coc, l'angle latéral ωs et l'angle de dégagement ωd,
- On choisit l'inclinaison latérale βi des taillants de manière à assurer le non-talonnement du plan de dépouille π2. L'inclinaison latérale βi est l'inclinaison de l'axe Zi du repère du ième taillant par rapport à 1 ' axe Zo comme indiqué sur la figure 1.
- On choisit le pas d'avancement δhel suivant Zo des lames de l'outil. L'ensemble des points de contacts des taillants d'une même lame se trouve sur une hélice enroulée autour de l'axe Z dans le sens inverse à la rotation dont le pas, noté δhel et constant pour toutes les lames, correspond au pas d'avancement des lames. Ce pas d'avancement 75 est illustré sur la figure 7.
- On choisit la position (rll, zll, θll) du premier taillant de la première lame. - On calcule la position relative des kièmes taillants de deux lames consécutives.
- On calcule la position relative de deux taillants consécutifs d'une même lame. De préférence, des limites sont fixées aux paramètres suivants :
- L'angle de coupe ωc est inférieur ou égal à 30°.
- L'angle latéral ωs est supérieur ou égal à 60°.
- L'inclinaison latérale βcin du front de coupe est supérieure ou égale à 50°.
- L'inclinaison latérale des taillants βi est supérieure ou égale à l'inclinaison latérale βcin du front de coupe.
- La hauteur h de la section rectangulaire de la saignée est supérieure ou égale à 1 mm. - La largeur d de la section rectangulaire de la saignée est inférieure ou égale à deux fois la hauteur h de la section rectangulaire de la saignée.
L'homme de métier disposant de ces explications est en mesure de déterminer par itérations successives les géométries, les positions et les orientations desdits taillants de manière à générer une poussée dirigée dans le sens d'avancement de l'outil de forage dans la roche.

Claims

REVENDICATIONSPROCEDE
1. Procédé de forage auto-pénétrant d'un puits dans une roche (51) ; ledit procédé comprenant l'étape de générer, au moyen d'un outil de forage (1) actionné en rotation autour d'un axe (4) , une poussée parallèle à la direction dudit axe et diri- gée dans le sens d'avancement dudit outil dans la roche.
2. Procédé selon la revendication 1 ; lames
• ledit outil comprenant N lames (2a, 2b, 2c, 2d) numérotées de 1 à N dans le sens inverse de la rotation (5) ; chaque lame étant enroulée en spirale autour de l'axe de l'outil et inclinée par rapport à celui-ci ; la partie de la lame la plus proche du nez (la) de l'outil étant également la plus proche de 1 ' axe de celui-ci ; taillants • chaque lame comportant K taillants (3a, 3b, 3c,
3d) ; le premier taillant étant le taillant le plus proche de l'axe et du nez (la) de l'outil ; chaque taillant étant désigné par deux indices :
- le premier indice n, variant de 1 à N, correspond au numéro de la lame qui porte ledit taillant considéré,
- le second indice k, variant de 1 à K, correspond à la position du taillant considéré sur la lame en partant du premier taillant, de sorte que le kième taillant de la nième lame sera dénommé le taillant T (n, k) ; chaque taillant ayant une face, ci-après dénommée face d'attaque (3bl) , prenant appui sur la roche (51) ; ledit procédé étant tel que, pour générer une poussée dans la direction d'avancement de l'outil, on calcule les géomé- tries, les positions et les orientations de tout ou partie desdits taillants en respectant les règles suivantes : - le kième taillant de la dernière lame, T (N, k) , creuse au (q-l)ième tour R(q-l) de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le (k+l)ième taillant de la première lame, T(l,k+1), au qième tour Rq de rotation de l'outil,
- le kième taillant de la nième lame, T(n,k), creuse au qième tour Rq de rotation de 1 ' outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le kième taillant de la (n+l)ième lame, T(n+l,k), au qième tour Rq de rotation de l'outil,
- la normale à la face d'attaque du taillant (3bl) a une composante selon l'axe de rotation (4) orientée vers 1 ' amont .
Outil 3. Outil de forage auto-pénétrant destiné au forage d'un puits dans une roche ; ledit outil de forage (1), actionné en rotation autour d'un axe (4), générant une poussée parallèle à la direction dudit axe et dirigée dans le sens d'avancement dudit outil dans la roche. 4. Outil de forage selon la revendication 3 ; lames
• ledit outil comprenant N lames (2a, 2b, 2c, 2d) numérotées de 1 à N dans le sens inverse de la rotation ; chaque lame étant enroulée en spirale autour de l'axe (4) de l'outil et inclinée par rapport à celui-ci ; la partie de la lame la plus proche du nez (la) de l'outil étant également la plus proche de 1 ' axe de celui-ci ; taillants
• chaque lame comportant K taillants (3a, 3b, 3c, 3d) ; le premier taillant étant le taillant le plus proche de l'axe et du nez de l'outil ; chaque taillant étant désigné par deux indices :
- le premier indice n, variant de 1 à N, correspond au numéro de la lame qui porte ledit taillant considéré, - le second indice k, variant de 1 à K, correspond à la position du taillant considéré sur la lame en partant du premier taillant, de sorte que le kième taillant de la nième lame sera dénommé le taillant T(n,k) ; chaque taillant ayant une face, ci-après dénommée face d'attaque (3bl) , prenant appui sur la roche (51) ; les géométries, les positions et les orientations de tout ou partie desdits taillants étant déterminées en respectant les règles suivantes :
- le kième taillant de la dernière lame, T(N,k), creuse au (q-1) ième tour R(q-l) de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le (k+l)ième taillant de la première lame, T(l,k+1), au qième tour Rq de rotation de l'outil,
- le kième taillant de la nième lame, T(n,k), creuse au qième tour Rq de rotation de 1 ' outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le kième taillant de la (n+l)ième lame, T(n+l,k), au qième tour Rq de rotation de l'outil,
- la normale à la face d'attaque (3bl) du taillant a une composante selon l'axe de rotation (4) orientée vers 1 ' amont .
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