FR2478730A1 - Trepan de forage a molette roulante et comportant un dispositif a jet de fluide - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF A JET DE FLUIDE POUR TREPAN A CONE ROULANT. UN JET DE FLUIDE SOUS PRESSION 46 EST DIRIGE SUR LES INSERTS PRINCIPAUX DE COUPE 22 ET CONTRE LA FACE D'ATTAQUE 52 DU TERRAIN. L'INVENTION S'APPLIQUE PARTICULIEREMENT AUX TREPANS UTILISES DANS DES TERRAINS TENDRES, SEMI-TENDRES OU PLASTIQUES. ELLE EVITE LE BOURRAGE DES MOLETTES ET AUGMENTE LE RENDEMENT DU TREPAN.

Description

La présente invention se rapporte à un trépan de forage à cône roulant,

pour le percement à travers

des formations du sous-sol.

Pour le forage de puits à travers des couches de terrain, en vue de découvrir et de produire du pétrole

et du gaz et aussi en vue d'extraire et d'utiliser l'éner-

gie de la vapeur au moyen de puits thermiques, le type d' -appareil de forage le plus couramment utilisé actuellement est le trépan à molette roulante à trois cônes. Ce trépan

comprend, d'une manière générale, un corps central com-

portant trois bras dirigés vers le bas à partir du corps.

Chaque bras porte un axe de roulement, dirigé vers l'in-

térieur, sur lequel est montée en rotation une roue cou-

pante ou molette tronconique. En général, la structure de

coupe le plus souvent utilisée dans le trépan à trois cô-

nes est une structure de coupe à inserts de carbure de tungstène. Les éléments coupants en carbure de tungstène sont emmanchés à la presse dans des trous percés dans les molettes tronconiques et font saillie vers l'extérieur,

de manière à exercer une action de creusement, d'écrase-

ment et d'évacuation au fond du forage, lorsque le tré-

pan est en rotation.

Le trépan à inserts de carbure de tungstène est connu et utilisé depuis trente ans environ. Pendant les vingt premières années, de 1950 à 1970 environ, les hommes

de l'art considéraient que la structure coupante du tré-

pan à inserte devait être du type non excentré, ou "cône roulant vrai". L'excentration, qui est définie par la distance dont les axes de rotation des molettes roulantes sont décalés par rapport à l'axe de rotation du trépan principal, était une caractéristique rencontrée dans les trépans à denture fraisée mais on la jugeait nuisible dans les trépans à inserts, en raison des risques de cassure des inserts en carbure de tungstène résultant des efforts

de frottement supplémentaires introduits du fait de l'ex-

centration. Les brevet U.S. n0 3 495 668 de Février 1970, de P.W. Schumacher, Jr, décrit un nouveau type de trépan dans lequel, pour la première fois, un trépan à inserts comporte avec succès des molettes de coupe à axe décalé,

pour obtenir une meilleure action de creusement et de ra-

clage dans le puits. Un brevet U.S. ultérieur n03 696 876 d'octobre 1972, de Ott, décrit également un dispositif semblable, dans lequel des éléments de coupe à axe décalé

sont incorporés dans un trépan à inserts.

Des trépans de-forage comportant en association

des molettes excentrées et des inserts en carbure de tung-

stène ont été proposés avec succès par la présente deman-

deresse, Reed Rock Bit Company, en 1970 et sont devenus les trépans du type le plus courant dans l'industrie du forage pendant les dix dernières années. Cette deuxième génération de trépans, utilisant des axes décalés et des

inserts en carbure de tungstène, est particulièrement avan-

tageuse dans des terrains tendres ou semi-tendres, car elle apporte une action de creusement et de raclage qui

améliore l'efficacité de forage et la vitesse de pénétra-

tion du trépan dans ces terrains. La valeur de l'excen-

tration utilisée dans ces trépans va de 0,4 mm à 0,8 mm

environ de décalage, par centimètre de diamètre du trépan.

Par exemple, un trépan de 20 cm du type excentré présente

une excentration totale de 3,2 mm à 6,4 mm dans les mo-

lettes de coupe.

Les trépans usuels qu'on trouve actuellement

sur le marché sont limités, en valeur d'excentration in-

troduite dans les molettes de coupe, à environ 0,8 mm de

décalage par centimètre de diamètre. Ainsi, la valeur ma-

ximum dtexcentration utilisée dans ces trépans pour ter-

rains tendres est actuellement de l'ordre de 6,4 mm dans

un trépan de 20 cm de diamètre. Pendant cette dernière dé-

cennie, au cours de laquelle les trépans à inserts à axe décalé ont rencontré un succès commercial, les hommes de l'art en technologie des trépans de forage ont en général suivi le principe qu'un décalage supplémentaire dans les

molettes, au-delà de 0,8 mm environ par centimètre de dia-

mètre de trépan, n'apportait pas une amélioration de ren- dement ou de vitesse de forage suffisante pour justifier

le risque accru de cassure entrainé par une telle augmen-

tation d'excentration. En fait, des essais de forage réa-

lisés au moyen de trépans à inserts dont l'excentration

était un peu supérieure à 0,8 mm par centimètre de dia-

mètre de trépan n'ont fait apparaitre que des gains insi-

gnifiants en vitesse de pénétration, mais des conséquen-

ces plus grandes en ce qui concerne les cassures d'insert.

Par suite, les hommes de l'art ont limité la conception des trépans à inserts à une valeur d'excentration allant

de O à 0,8 mm par centimètre de diamètre de trépan.

Le dispositif décrit ci-après utilise une con-

ception particulière de trépan à inserts qui présente une valeur élevée d'excentration dans la structure de coupe,

dépassant de beaucoup les valeurs utilisées dans les tré-

pans à inserts à axe décalé usuels. On a constaté que lorsque l'excentration est égale ou supérieure à 1,6 mm par centimètre de diamètre de trépan, dans un trépan à

inserts à trois cônes, cela permet d'obtenir une augmen-

tation très sensible de la vitesse de pénétration et des performances du trépan. Pour une raison non déterminée, la vitesse de pénétration et le rendement de forage d'un trépan à inserts excentré n'augmentent pas sensiblement, lorsqu'on passe de 0,8 mm d'excentration par centimètre de

diamètre de trépan (limite supérieure des trépans excen-

trés usuels) à environ 1,6 mm d'excentration par centimè-

tre de diamètre de trépan. Il a été découvert qu'à partir

de 1,6 mm environ d'excentration par centimètre de diamè-

tre de trépan la vitesse de pénétration et le rendement de

forage augmentent brusquement de façon sensible.

247873r: L'utilisation de valeurs élevées d'excentration dans les trépans à molette de coupe à denture fraisée n' est pas nouvelle en elle-môme. Par exemple, on peut se reporter au brevet U.S. n0 1 388 456 de H.W. Fletcher, du 23 Août 1921, qui décrit un trépan à molette roulante à deux cônes à denture fraisée, présentant apparemment

une valeur élevée d'excentration dans les deux molettes.

Le brevet n'indique pas de valeur particulière de l'excen-

tration à utiliser et il ne semble pas que le dispositif

de Fletcher ait été réalisé avec succ4P. Les trépans u-

suels à denture fraisée qui ont été disponibles sur le

marché pendant les quarante dernières années ont généra-

lement utilisé une excentration de l'ordre de 0,4 mm à

0,8mm par centimètre de diamètre de trépan et sont du ty-

pe à trois cônes. C'est seulement à partir de 1970, avec le brevet U.S. n0 3 495 668, que les trépans du type à inserts utilisant l'excentration déjà présente dans les trépans à denture fraisée sont devenus courants dans 1' industrie. La raison pour laquelle on considérait que les molettes à forte excentration n'étaient pas intéressantes

résidait en ce que des augmentations d'excentration au-

dessus de la limite de 0,8 mm mentionné plus haut n'appor-

taient qu'un très faible gain en rendement de coupe mais

augmentaient les ruptures des inserts en carbure de tung-

stène, dans les trépans du type à inserts. De même, l'aug-

mentation de l'excentration entraine nécessairement la

diminution de la dimension des cônes de coupe, afin d'évi-

ter les interférences entre des inserts de cônes adjacents.

Des cônes plus petits ont pour conséquence des surfaces de portée plus petites et/ou des parois de cône plus minces,

ce qui dans les deux cas augmente le risque de défaillan-

ce prématurée du trépan. D'autre part, une excentration

plus grande a pour conséquence un engrènement moins effi-

cace des inserts sur des cônes adjacents, ce qui diminue

le degré d'auto-nettoyage des inserts et augmente le col-

matage ou le bourrage.

Les dispositifs usuels à jet sont en général de

deux types différents. Le type le plus ancien est le dis-

positif à fluide de forage normal, dans lequel des orifi-

ces de fluide, relativement grands et sans étranglement, sont prévus dans le corps du trépan directement au-dessus des cônes de coupe, pour permettre à un courant de fluide de forage à basse pression de tomber sur les cônes et de

circuler autour des cônes vers le fond du puits. Il s'a-

git nécessairement d'un courant à faible débit et faible vitesse, puisque le jet de fluide frappe directement la face de coupe et, dans ces conditions, l'abrasion des cônes crée des difficultés importantes. Le deuxième type

de dispositif à fluide connu concerne les trépans à jet.

Dans un trépan à jet, un jet de fluide sous forte pres-

sion est dirigé du corps du trépan directement contre la face d'attaque du terrain, sans rencontrer aucun élément de coupe ou aucune partie du trépan. Dans certains cas, les trépans à jet comportent des buses de fluide dirigées vers le bas à partir du corps du trépan jusqu'à un point situé seulement à quelques millimètres au-dessus de la

face d'attaque du terrain, afin d'obtenir l'énergie hy-

draulique maximale du jet de fluide qui frappe la face du terrain. Les trépans à jet usuels ne dirigent pas de fluide contre des éléments de coupe, en raison de l'effet néfaste d'érosion provoquée par le fluide de forage sous

forte pression.

La présente invention a pour objet un trépan de

forage qui comporte un dispositif à jet amélioré.

Le trépan à cône roulant suivant l'invention,

pour le forage à travers des formations du sous-sol, com-

prend un corps creux, une pluralité de bras partant de ce corps en direction du bas,et une molette de coupe à cône roulant montée tournante sur chaque bras, chaque molette portant des éléments coupants en métal dur formant saillie 247873e et insérés dans la molette. Le trépan suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif à jet de fluide dirigé, qui comprend des moyens d'éjection de fluide associés au corps du trépan et en communication de fluide avec la partie creuse du corps, ces moyens d'éjec- tion étant conçus pour recevoir un fluide sous pression venant du corps creux et diriger un courant de fluide sous pression sur au moins un des éléments coupants en

métal dur.

La présente invention diffère des deux types usuels, décrits plus haut, en ce qu'elle utilise un jet

dirigé qui rencontre directement les inserts des molettes.

Un trépan du type à inserts, en comparaison à

un trépan à denture fraisée, est décrit ci-après. Ce tré-

pan à inserts comporte des éléments de coupe à cône rou-

lant, montés en rotation sur des bras par l'intermédiaire d'axes de rotation très excentrés par rapport à l'axe de

rotation du trépan. La valeur de l'excentration est com-

prise entre 1,6 mm et 3,2 mm par centimètre de diamètre de trépan. L'arrangement ainsi obtenu permet d'atteindre des vitesses de pénétration et un rendement de forage beaucoup plus grands,lorsqu'on l'utilise dans des terrains tendres ou semi-tendres. Il faut noter que le trépan de forage décrit ci-après, dans sa forme de réalisation de

trépan de forage à trois cônes pour puits de pétrole, souf-

fre d'une érosion élevée et de cassure des inserts de cou-

pe en métal dur dans les cônes, mais le gain total en ren-

dement de forage et vitesse de pénétration compense large-

ment l'usure plus grande et la rupture accrue des éléments

coupants.

Le dispositif de jet à buse suivant la présente

invention, pour distribuer un fluide de forage sur les élé-

ments de coupe et la face d'attaque du terrain pendant le forage, utilise des buses orientées qui émettent un jet de fluide de forage sous pression et dirigent ce jet entre les 7- inserts de carbure de tungstène en saillie, et contre la face du terrain. Le dispositif à jet suivant l'invention remplit une double fonction de nettoyage de la matière

retenue entre les inserts et aussi de balayage des maté-

riaux coupés de la paroi du puits. Ce dispositif est par- ticulièrement avantageux lorsqu'on fore à travers certains

typesde terrain qui, parce qutils sont tendres ou ducti-

les, deviennent très plastiques pendant les opérations de forage et tendent à s'accumuler ou "bourrer" dans les

espaces entre les inserts sur les molettes. Cette accumu-

lation diminue beaucoup la vitesse de pénétration et le rendement de coupe des trépans, lorsqu'ils pénètrent dans

de telles formations plastiques. Le dispositif à jet sui-

vant la présente invention fournit une pluralité de jets de fluide, dirigés suivant des angles prédéterminés pour

projeter le fluide de forage sur les inserts sans rencon-

trer les surfaces du cône de coupe, le jet étant également

dirigé contre la face du terrain afin de chasser et net-

toyer les parties coupées lorsqu'elles sont séparées du

terrain.

L'invention sera mieux comprise à l'aide du

complément de description qui va suivre qui se réfère aux

dessins annexés, dans lesquels: la figure l est une vue de côté d'une forme de réalisation de l'invention, concernant un trépan à trois cônes; la figure 2 est une vue axiale de dessous du trépan à trois cônes de la figure 1; la figure 3 représente schématiquement les trois cônes de coupe du trépan des figures 1 et 2 et illustre le principe des axes de molette décalés;

la figure 4 illustre la configuration des mo-

lettes dans une forme de réalisation de l'invention, et plus particulièrement la position des inserts dans la molette ainsi que l'excentration des molettes;

la figure 5 illustre schématiquement le chevau-

chement de l'arrangement d'inserts des trois molettes de la figure 4, afin de montrer la couverture du fond du puits par le trépan; la figure 6 représente schématiquement une forme %de réalisation de l'invention avec le dispositif à buse orientée et montre son interaction avec la molette et avec le terrain;

les figures 7 et 8 représentent une forme parti-

culière de réalisation du dispositif à buse orientée sché-

matisé sur la figure 6, la figure 7 étant une vue axiale en bout d'un dispositif à buse centrale et la figure 8 étant une coupe transversale de la buse de la figure 7; les figures 9 à Il sont des vues différentes d' une deuxième forme de réalisation du dispositif à buse orientée,utilisant un jet intermédiaire; et les figures 12 à 14 sont des vues axiales de dessous d'une troisième forme de réalisation de l'invention

qui utilise un dispositif à buse orientée périphérique.

La figure 1 représente, en perspective, une pre-

mière forme de réalisation de l'invention qui concerne un

trépan de forage 10 à trois cônes, comprenant un corps cen-

tral principal 12 avec une queue filetée 14 dirigée vers le haut. La queue filetée 14 comprend un raccord cônique

méle qui peut se visser dans l'extrémité femelle d'un élé-

ment d'une tige de forage. Le corps 12 comporte trois bras 18, dirigés vers le bas et solidaires du corps, chaque

bras portant une molette tronconique 16 montée tournante.

Une pluralité de buses 20 peuvent être prévues à leériphé-

rie du corps 12 et orientées vers le bas, au-delà des mo-

lettes 16. Sur la figure 2, qui est une vue axiale, du fond du puits vers le dessous du trépan, on voit que les molettes 16 du trépan 10 comportent des éléments coupants 22 en métal dur qui font saillie sur des zones surélevées 24 formées sur les surfaces des cônes. Dans une forme de réalisation usuelle, les inserts sont généralement de trois types différents, è savoir des inserts 26 de la

rangée de calibrage, des inserts 28 de la rangée inter-

médiaire et des inserts 30 de nez. De façon connue, les inserts sont fixés dans les cônes par l'intermédiaire d' un trou percé dans le cône pour chaque insert, le trou à

ayant un diamètre légèrement inférieur à celui de l'in-

sert de façon à obtenir un ajustement serré. Les inserts

sont ensuite emmanchés dans les trous, sous pression rela-

tivement élevée, et ils sont solidement fixés dans les cô-

nes par cet emmanchement à force.

Chaque molette 16 est montée en rotation sur un axe cylindrique usiné sur chaque bras 8, de façon connue,

bien que cela ne soit pas visible sur les dessins. De fa-

çon connue également, des portées, par exemple des roule-

ments à rouleaux, des roulements à billes et/ou des douil-

les, sont disposées entre la molette et l'axe support,

afin d'obtenir un montage tournant. Dans une forme préfé-

rée de réalisation, les molettes sont montées sur les axes avec interposition de manchons et de roulements à billes, comme décrit dans les brevets U.S. n0 3 990 751 et n0 4 074 922, de Henry W. Murdoch, du 9 Novembre 1976 et

du 21 Février 1978 respectivement.

Sur la figure 3, les molettes 16 sont schémati-

sées sous forme de troncs de cône simples. Chaque cône de molette 16 a un axe de rotation 32 qui passe sensiblement

par le centre du tronc de cône. L'axe de rotation princi-

pal du trépan 10 est représenté par le point 34, sur la figure 3, puisque cette dernière est une vue suivant l'axe de rotation du trépan. On voit, sur la figure 3, que du fait du décalage ou de l'excentration des axes 32, aucun de ces axes ne rencontre l'axe 34 du trépan, Dans cette projection à plat, l'intersection des axes 32 forme un triangle équilatéral 36. La valeur du décalage, mesurée

en distance linéaire pour un trépan donné, peut être dé-

247873CQ

terminée à partir d'un diagramme en vraie grandeur sembla-

ble à celui de la figure 3 pour ce trépan, par mesure de

la distance de l'axe 34 au point médian d'un côté quel-

conque du triangle 36.

On voit, sur la figure 4, qui illustre la dis-

position des molettes, que les profils ou sections trans-

versales de chacune des molettes du trépan à trois cônes de la forme de réalisation préférée sont disposés les uns par rapport aux autres afin d'obtenir un engrènement des éléments coupants ou inserts 22. D'une manière générale, chaque molette de coupe, dans un trépan à trois cônes, a

un profil légèrement différent, afin de permettre un es-

pacement optimal des inserts pour l'ensemble du trépan.

Sur la figure 4, les trois molettes sont désignées par les repères A, B et C. La molette C est représentée en deux

parties, pour illustrer son engrènement avec les deux mo-

lettes A et B. Il faut noter que les projections ont été aplaties et, à cause de l'aspect bidimensionnel de cet

arrangement, une déformation dans la relation tridimension-

nelle vraie des molettes est nécessaire. L'axe principal

de rotation 34 du trépan est indiqué sur la figure 4. Cha-

que molette A, B et C a un axe de rotation 32 qui est dé-

calé d'une distance Y par rapport à un axe imaginaire 32' parallèle à l'axe réel 32 et passant par le point 34 qui

est l'axe de rotation du trépan.

La figure 5 est un profil de molette de coupe

qui est une superposition d'une moitié de chacune des mo-

lettes A, B et C, afin d'indiquer la position de tous les

inserts en ce qui concerne la couverture du fond du puits.

Chaque insert, dans le profil de la figure 5, est repéré suivant le cône de coupe particulier dans lequel est placé

l'insert. L'angle X indique l'angle de roulement du tré-

pan, c'est-à-dire l'angle que fait l'axe du pivot de la

molette, qui coïncide avec l'axe de rotation 32 de la mo-

lette, avec un plan normal à l'axe de rotation 34 du tré-

pan. Dans cette forme particulière de réalisation, la valeur préférée de dépassement de l'insert au-dessus de la surface de la molette doit être supérieure ou égale

à la moitié environ du diamètre de l'insert. Un dépasse-

ment sensiblement inférieur à la moitié du diamètre rend

moins efficace l'action de creusement et de raclage ré-

sultant de la valeur élevée de l'excentration. La valeur préférée de dépassement de l'insert est comprise entre la

moitié et une fois le diamètre de l'insert. La forme pré-

férée de la partie en saillie de l'insert est c8nique ou en biseau. En variante, des inserts de forme hémisphérique,

ou hémisphérique taillée en pointe, sont acceptables.

Bien que l'insert puisse être réalisé en tout

alliage métallique dur, tel que carbure de titane, car-

bure de tantale ou carbure de chrome dans une matrice ap-

propriée, on utilise, dans un type particulier de réali-

sation, du carbure de tungstène dans une matrice de cobalt.

La teneur en cobalt est comprise entre 5% et 20% environ en poids de la matière de l'insert, le restant du métal étant du carbure de tungstène fritté ou coulé, ou les deux. La dureté des inserts est ajustée par modification

de la teneur en cobalt, ou par d'autres procédés connus.

La dureté est comprise entre 85 Rockwell A environ et 90

Rockwell A environ. Dans une forme particulière de réalisa-

tion, on utilise des inserts coniques faisant saillie de

plus de la moitié de leur diamètre, ces inserts étant réa-

lisés en alliage carbure de tungstène-cobalt, avec une te-

neur en cobalt de l'ordre de 12% en poids et une dureté

de 86,5 Rockwell A environ.

On se reporte maintenant à la figure 6, qui re-

présente schématiquement un dispositif à jet de fluide du type à buse orientée, suivant l'invention. Une buse 40 à jet sensiblement cylindrique est fixée sur le corps 12 du

trépan et communique avec un passage 42 de fluide de fo-

rage sous forte pression, prévu dans le corps 12. La buse comporte une sortie ou ajutage 44 d'o est émis un fluide de forage 46 sous forte pression, sous forme d'un jet exactement dirigé. On voit également, sur la figure

6, un bras 18 de trépan portant une molette conique 16.-

Une flèche 48 est tracée sur le bras 18, pour indiquer le sens de déplacement du bras dans le puits pendant la rotation du trépan. Une autre flèche 50 est tracée sur la molette 16, pour indiquer le sens de rotation de cette dernière simultanément au déplacement du trépan 10 dans

le puits. Le jet 46 de fluide de forage sous forte pres-

sion est orienté dans une direction exactement déterminée,

de façon à ce que ce jet soit exactement tangent à la sur-

face de la molette 16, ou légèrement écarté de cette der-

nière comme représenté sur le dessin. Cette position tan-

gentielle du jet 46 par rapport à la molette 16 permet un nettoyage efficace des inserts 22 lorsqu'ils passent à

travers le jet 46, mais évite également l'érosion par a-

brasion de la paroi 16 de la molette qui se produirait si le jet 46 frappait directement cette paroi. Bien que, dans

* la forme préférée de réalisation, le jet 46 soit tangen-

tiel à la paroi 16 de la molette ou légèrement écarté de celle-ci, un léger contact du jet 46 avec la molette 16 ne serait pas très préjudiciable, du fait du très faible

angle d'incidence du jet 46 sur la surface de la molette.

Lorsque le jet de fluide 46 passe sur les inserts 22 et près de la paroi de la molette 16, il chasse les matériaux accumulés entre les inserts 22 et les entraine vers le bas avec le déplacement de la molette 16.Après être passé sur les inserts, le fluide rencontre le fond 52 du puits et circule le long de ce fond, en entraînant les matériaux

qui sont coupés et enlevés du terrain par les inserts 22.

Le fluide de forage passe ensuite sous la molette 16 et remonte vers le haut, à l'extérieur du trépan et dans le

puits, de façon connue.

Les figures 7 et 8 se rapportent à une première forme de réalisation du dispositif à jet dirigé. Cette

forme de réalisation utilise une buse à plusieurs orifi-

ces qui fait saillie vers le bas de la partie centrale du

corps du trépan, dans la direction de la zone centrale en-

tre les trois molettes c8niques. La figure 7 est une vue axiale partielle en bout du trépan 10, qui représente en

partie deux molettes 16 et une buse 56 à plusieurs orifi-

ces. La buse 56 est sensiblement cylindrique et comporte,

à son extrémité dirigée vers le bas, une surface chanfrei-

née 58, dans laquelle sont percés trois orifices 60. Une

extrémité fermée plane 62 est prévue à la partie inférieu-

re de la buse. On voit, sur les figures 7 et 8, un jet de fluide 64 sortant d'un des orifices 60. Ce jet passe à travers les inserts des molettes 16, sans rencontrer les surfaces effectives des molettes. Le jet nettoie tous les

matériaux coupés qui peuvent être restés entre les dif-

férents inserts, puis il se poursuit vers l'extérieur et

vers le bas de manière à balayer le fond du puits à l'a-

vant des molettes lorsqu'elles roulent sur la face d'atta-

que du terrain. La figure 8 est une vue latérale partiel-

le du trépan de la figure 7, représentant une seule mo-

lette 16 et la buse multijets 56. Sur cette figure, la

buse 56 est représentée en coupe et on voit qu'elle com-

porte un passage axial 66 qui communique avec les orifices 60. La buse 56 est fixée dans un alésage 68 formé dans le

corps 12 du trépan. Une cavité 70 pour le fluide est pré-

vue à l'intérieur du corps 12 et communique avec la queue filetée 14 (figure 1) qui est également tubulaire. Ainsi, le fluide de forage, refoulé vers le bas dans la colonne de forage, passe dans la queue filetée 14, pénètre dans la cavité 70 du trépan, traverse le passage 66 de la buse et sort par les orifices 60 sous forme d'un jet 64 qui frappe les inserts principaux de coupe sur le cône 16. Le fluide de forage est ensuite dirigé contre la face du puits ou bien, comme représenté sur la figure 8, il peut 4tre dirigé contre la paroi du puits de sorte qu'il descende le long de cette paroi et traverse la face d'attaque du

terrain pour entra ner les débris de coupe supplémentai-

res, qui s'y trouvent.

Les figures 9 à 11 représentent une deuxième forme de réalisation du dispositif à buse orientée, dans

laquelle le jet de fluide est dirigé à travers les in-

serts de coupeprincipaux et frappe directement la face du puits. Dans cette forme de réalisation, la buse en saillie est remplacée par un orifice incliné formé à travers la paroi du corps 12 du trépan et en communication avec la cavité 70. La figure 9 est une coupe axiale partielle, représentant une partie de deux molettes cOniques 16, le corps 12 et un orifice 74 de jet orienté. Le fluide de forage sort de l'orifice 74, sous forme d'un jet 72 qui rencontre les inserts de coupe principaux des cônes 16 et

continue vers le bas de manière à frapper le fond du fo- rage. Dans cette forme de réalisation, trois orifices 74

sont prévus dans le corps 12 du trépan, de sorte que cha-

que molette conique 16 est associée à un orifice 74 afin de balayer les matériaux coupés retenus entre les inserts et à atteindre le fond du puits. La figure 10 est une vue de côté d'une molette, vue de l'axe principal du trépan, radialement vers l'extérieur. L'orifice de jet 74 traverse

le corps 12 et communique avec l'arrivée de fluide de fora-

ge dans la colonne de forage, par l'intermédiaire de la ca-

vité 70 et de la queue de fixation 14. La figure 11 est une vue latérale schématique partielle de la molette 16 de la figure 10, tournée de 900 environ. Sur la figure 11, on voit un des trois orifices de jet 74 en communication avec la cavité 70, ainsi qu'un jet 76 de fluide de forage sortant de cet orifice et passant entre les inserts de

coupe de la molette 16 et atteignant le fond du puits.

Les figures 12 à 14 représentent deux autres formes de réalisation de la présente invention. La figure 12 est une vue axiale de dessous d'un trépan. Celui-ci

comporte trois molettes coniques 16, munies d'une plura-

lité d'inserts 22 en carbure de tungstène solidement fi-

xés dans des zones surélevées 24 de la surface des molet-

tes. Trois buses 80, orientées circonférentiellement, sont prévues à la périphérie extérieure du corps 12 du trépan et sont disposées vers le bas sous le corps 12, dans les zones sensiblement libres entre les rangées extérieures

d'inserts sur les molettes coniques. La forme de réalisa-

tion de la figure 12 utilise trois buses orientées, de

forme sensiblement cylindrique, présentant chacune une fa-

ce biseautée 82 à travers laquelle est formé un orifice de jet 84 en communication avec un passage axial dans la buse 80. L'orifice de jet 84 est formé de façon à émettre

un jet dirigé de fluide 86 qui rencontre les inserts prin-

cipaux de coupe des molettes coniques qui sont situées dans le sens des aiguilles d'une montre par rapport à chaque

buse 80. Chaque orifice 84 est dirigé sensiblement circon-

férentiellement par rapport au corps 12, et tangentielle-

ment par rapport aux cOnes 16, de sorte que le jet de fluide sortant de ces orifices ne frappe pas directement le cane 16. Chaque buse 80, comportant un orifice unique 84, est placée de manière à nettoyer les inserts sur la molette située dans le sens des aiguilles d'une montre par

rapport à la buse. Après être passé entre les inserts prin-

cipaux de coupe, le fluide est dirigé contre le fond du

forage, de manière à exercer une action de nettoyage pen-

dant l'opération de forage. La figure 13 représente une forme de réalisation légèrement différente du dispositif à buse périphérique, dans laquelle trois buses 90 à double jet sont prévues près de la périphérie du fond du trépan et sont disposées vers le bas sous ce fond, entre les bords extérieurs des cônes 16. Chaque buse 90 comporte

deux orifices de jet, formés à travers des faces biseau-

tées opposées 92 et 94. Ainsi, chaque buse 90 possède un

orifice de jet dirigé vers chaque molette conique 16 ad-

jacente à la buse. La figure 14 représente schématique-

ment la buse 90, du côté de ses deux faces biseautées 92 et 94. Des orifices de jet 96 traversent les deux faces biseautées et communiquent avec un passage intérieur de la buse 90. Le fluide de forage sous pression circule dans le trépan et dans les buses 90, de façon semblable à celle

du dispositif de la figure 12.

Les buses utilisées dans les formes de réalisa-

tion des figures 6 à 14 sont de préférence obtenues par coulée, forgeage et/ou usinage à partir d'une matière dure, par exemple acier ou un des alliages métalliques durs, comme le carbure de tungstène dans une matrice de cobalt. L'alliage carbure de tungstène-cobalt peut être du type au carbure de tungstène fritté, au carbure de tungstène coulé ou une combinaison des deux. En variante,

les buses peuvent être réalisées en toute matière résis-

tant correctement à l'érosion.

On voit donc que l'invention présente plusieurs avantages uniques et procure un dispositif à jet de fluide

qui assure un nettoyage très efficace des inserts en sail-

lie ainsi qu'un nettoyage de la face d'attaque du terrain

pendant son forage.

Ce dispositif dirige le jet de fluide soueaute pression tangentiellement aux molettes c8niques, dans une direction de balayage/des inserts principaux de coupe, de

manière à enlever les matières qui ont pu s'y accumuler.

Le jet de fluide passe ensuite directement de la zone des inserts à la face d'attaque dyjuits, ou de la zone des inserts à la paroi du puits puis descend le long de cette

paroi et traverse la face d'attaque du terrain.

Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'in-

vention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réa-

lisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre ni de la portée de la présente invention. Par exemple, bien qu'on ait décrit un trépan à trois cônes comportant trois molettes c8niques, il est entendu que le trépan peut être du type à quatre cônes, tout en étant conforme à la présente invention. De

même, le nombre et la position des buses orientées peu-

vent être différents de ceux qui sont représentés, tout

en ayant un fonctionnement, un rôle et des résultats équi-

valents.

2478?3C4

Claims (4)

Revendications

1. Trépan de forage à molette roulante à trois cônes (16), du type comportant des éléments de coupe (22) en

métal dur insérés dans des molettes sensiblement tronc8ni-

ques, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (40) à jeu de fluide prévus sur le trépan et se prolongeant vers

le bas, par rapport à celui-ci, jusqu'à un point sensi-

blement distant de l'extrémité inférieure du trépan; les dits moyens à jet comprenant au moins un orifice de buse

(44), dirigé vers les éléments de coupe (22) sur la par-

tie inférieure de chaque molette (16) et capable d'envo-

yer un jet (46) de fluide sous pression sur une pluralité de ces éléments inférieurs, sensiblement tangentiellement aux corps des molettes; chacun des orifices de buse étant prévu pour diriger un jet de fluide sur les éléments de

coupe de chaque molette, immédiatement avant que ces élé-

ments viennent en contact avec une face d'attaque (52) du

puits pendant l'opération de forage du trépan.

2. Trépan suivant la revendication 1, caractérisé en

ce que chaque orifice de buse est dirigé vers les élé-

ments principaux de coupe de chaque molette, comprenant

la rangée de creusement et au moins une rangée intermé-

diaire de ces éléments.

3. Trépan suivant la revendication 1 ou 2, caracté-

risé en ce que chaque orifice de buse est prévu pour é-

mettre un jet de fluide sensiblement tangentiel à chaque molette, suivant un angle sensiblement supérieur à 0 et

sensiblement inférieur à 900 par rapport au fond du fo-

rage.

4. Trépan suivant l'une quelconque des revendica-

tions précédentes, caractérisé en ce que chaque orifice

de buse est prévu pour émettre un jet de fluide qui ren-

contre une pluralité d'éléments coupants en métal dur et

rencontre ensuite la face du fond du puits.