FR2713698A1

FR2713698A1 - Trépan de forage à pièces rapportées calibrées coupantes libres avec angles de sécurité .

Info

Publication number: FR2713698A1
Application number: FR9414031A
Authority: FR
Inventors: Danny E Scott; Rudolf C Pessier
Original assignee: Baker Hughes Inc
Current assignee: Baker Hughes Holdings LLC
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1994-11-23
Publication date: 1995-06-16
Also published as: US5407022A; GB9423655D0; ITTO940941A1; IT1267161B1; NO944489L; NO944489D0; ITTO940941A0; GB2284224A; GB2284224B

Abstract

L'invention concerne un trépan de forage à cône roulant (10) qui possède des pièces rapportées (18) calibrées qui sont installées de façon à créer un angle de sécurité (RA) entre la surface externe (38) de chacune des pièces rapportées et la paroi latérale (36) du trou de sondage. Chaque pièce rapportée calibrée engage uniquement dans la paroi latérale à un bord d'attaque (40) de la surface externe de la pièce rapportée.

Description

i La présente invention se rapporte en général & des txJians de forage

pour forer la croûte terrestre, équipés

de coupoirs roulants, et en particulier à des pièces rapportées dures utilisées sur ces trépans de forage afin de5 protéger la surface calibrée des trépans.

Plusieurs types de trépans de forage pour forer la croûte terrestre, équipés de coupoirs roulants, sont connus dans la pratique, qui sont destinés à être utilisés dans le forage des puits de pétrole et de gaz, le forage des puits d'eau, et dans les mines. Ces trépans de forage peuvent comporter un corps équipé d'un ou plusieurs coupoirs tournants qui tournent lorsque le trépan est mis en rotation dans un trou de sondage. Les coupoirs tournants peuvent être coniques, parfois appelés cônes roulants, ou avoir une autre forme. Les éléments coupants de ces trépans peuvent être des dents usinées ou autrement formées d'un seul tenant sur les coupoirs, ou des pièces rapportées métalliques dures montées

sur les coupoirs.

Un trépan de forage pour forer la croûte ter-

restre est typiquement monté à l'extrémité inférieure d'un train de tiges de forage, les tiges étant mises en rotation

par des équipements situés en surface, au lieu de forage.

Lorsque les tiges sont mises en rotation autour d'un axe sensiblement vertical, le trépan de forage pénètre le sol, un poids étant appliqué, et progresse le long d'une trajectoire planifiée en direction d'une cible. La trajectoire de forage peut s'écarter de façon appréciable de la verticale,mais pour

les besoins de la présente description, ces déviations ne

seront pas prises en compte.

Le trépan de forage comporte typiquement un certain nombre de dents ou de pièces rapportées coupantes, dont la forme et la position sont destinées à désintégrer la formation géologique le long de la trajectoire de forage planifiée, lors de la constitution du trou de sondage. Les dents ou les pièces rapportées qui désintègrent la formation sont généralement situées dans la zone située à l'extrémité inférieure du trépan de forage, qui est la partie avant du trépan de forage lorsqu'il progresse à travers la formation. Le trou de sondage formé au cours du processus de forage possède un diamètre grossièrement égal au diamètre du trépan5 de forage. Le forage progressant, le trépan de forage progresse le long du trou de sondage, et les côtés ou la périphérie du trépan situé au-dessus de l'extrémité inférieure glissent en passant le long de la paroi latérale du trou de sondage.10 La formation à travers laquelle le trépan de forage passe est souvent une matière très dure et abrasive, de sorte que la périphérie du trépan de forage peut souffrir significativement d'une érosion et d'une usure provenant du contact avec la paroi latérale du trou de sondage. Pour cette raison, il est habituel de protéger les surfaces périphériques du trépan de forage de l'érosion et de l'usure grâce à divers moyens. Les surfaces peuvent être protégées en durcissant l'acier ou en déposant une matière très dure dénommée à revêtement en métal dur, telle que le carbure de tungstène, sur les surfaces. Certaines surfaces sont protégées en installant des boutons ou des pièces rapportées fabriquées en une matière résistant & l'abrasion et très dure, dans les orifices de la surface, une extrémité de chaque pièce rapportée étant soit sensiblement alignée avec la surface, soit légèrement surélevée au-dessus de la surface. L'utilisation de ces pièces rapportées peut également faciliter le maintien du diamètre de conception complet du trou de sondage, lorsque les pièces rapportées coupantes ou les dents primaires s'usent. Il est important de maintenir le calibre complet du trou afin de permettre une insertion éventuelle d'un tubage et pour éviter une traînée

ou un endommagement du trépan suivant.

Ces pièces rapportées calibrées peuvent être fabriquées en carbure de tungstène, en diamant naturel, en diamant synthétique ou en composites de ces matériaux. Elles peuvent posséder une surface externe rectifiée pour s'adapter à la forme de la surface périphérique à protéger, ou elles peuvenc avoir une surface externe ayant un contour différent, plat, par exemple. La surface périphérique du trépan de forage qui est protégée par les pièces rapportées dures est5 généralement conçue pour être proche de la paroi du trou de sondage, au diamètre de conception complet ou presque, ou calibre complet. Ces surfaces sont par conséquent typiquement

dénommées surfaces calibrées du trépan.

La surface calibrée peut être une surface inclinée à la base du coupoir tournant. Si le coupoir tournant est conique, la surface calibrée est typiquement un tronc de cône, appelé surface tronconique. Dans tous les cas, la surface calibrée est une surface qui est conçue pour s'aligner généralement avec la paroi latérale du trou de sondage, lorsque le trépan de forage tourne. Une surface calibrée sur un coupoir tournant s'alignerait uniquement avec la paroi latérale dans une zone étroite o le coupoir vient au contact de la paroi latérale, généralement de façon

glissante, lorsque le trépan de forage tourne et avance.

Lorsqu'une pièce rapportée de matière dure est utilisée sur la surface calibrée d'un trépan de forage dans des formations dures et abrasives, il arrive souvent que la pièce rapportée subisse une détérioration rapide ou connaisse même une défaillance. Dans une pièce rapportée en carbure de tungstène, la détérioration prend habituellement la forme d'une usure importante et d'un craquelage à chaud lorsque la pièce rapportée s'adapte à la paroi latérale du trou de sondage. Cependant, dans les pièces rapportées les plus dures, telles que celles contenant des matières de diamant, la pièce rapportée ne s'use pas. Au lieu de cela, elle restera accolée à la surface calibrée, la chargeant de façon sévère. Cela se traduit par un surchauffage, un craquelage, un fissurage, un rognage et finalement une défaillance. Cette détérioration prend initialement usuellement la forme d'un craquelage à chaud, souvent suivi d'un fissurage, sur la surface externe de la pièce rapportée, situés dans la partie de la surface que l'on peut appeler la zone "de fuite", par opposit-ion à la zone "d'attaque". La zone caractérisée comme étant la zone d'attaque est cette zone de la surface externe ou de la face de la pièce rapportée qui s'engage la première dans la paroi latérale du trou de sondage lorsque le trépan tourne. La zone caractérisée comme étant la zone de fuite est cette zone de la surface externe de la pièce rapportée qui repose du côté de la surface externe opposé à la zone d'attaque. Similairement, le bord formé à l'intersection de10 la surface externe et du corps cylindrique de la pièce rapportée calibrée qui s'engage la première dans la paroi latérale est communément appelé le bord d'attaque et le bord opposé est dénommé le bord de fuite. Ce bord peut être un chanfrein connectant la surface externe et la surface

cylindrique.

Le bord d'attaque de la pièce rapportée possède une orientation angulaire autour de l'axe de la pièce rapportée qui est influencée par un certain nombre de facteurs qui comprennent le poids sur trépan, la vitesse de rotation du trépan, et d'autres. La combinaison de ces facteurs se traduit par une orientation angulaire

caractéristique du bord d'attaque de la pièce rapportée.

Cette orientation angulaire varie typiquement de l'alignement avec le bord situé le plus en bas de la pièce rapportée, lorsque le trépan est suspendu verticalement, à une orientation pouvant faire un angle de 90 degrés avec la verticale, dans la direction de la rotation du trépan. La direction de la rotation du trépan est typiquement le sens de rotation des aiguilles d'une montre, lorsqu'elle est vue du dessus du trou de sondage. Par conséquent, en d'autres termes, selon un certain nombre de facteurs, lorsque l'on regarde la surface d'extrémité externe de la pièce rapportée calibrée d'un trépan vertical, la pièce rapportée calibrée s'engage typiquement la première dans la paroi latérale, à un

certain endroit du quadrant inférieur gauche de la surface.

Le craquelage à chaud a été fréquemment observé dans la zone de fuite de la surface externe de la pièce rappoli-e calibrée. Il peut progresser en donnant suite à un fissurage et à une érosion rapide ou un rognage de la matière de la pièce rapportée. Il est considéré que cet endommagement5 provient de la production de chaleur excessive due au glissement sous charge élevée de la surface externe complète de la pièce rapportée, le long de la paroi latérale du trou de sondage. En d'autres termes, comme la pièce rapportée calibrée des trépans de forage connus est installée, sa10 surface externe étant généralement alignée avec la paroi latérale du trou de sondage, un frottement excessif produit

une chaleur excessive à la surface de la pièce rapportée.

Cette production de chaleur excessive et 1l'endommagement à chaud qui en résulte sont davantage prononcés dans la zone de fuite de la surface de la pièce rapportée, probablement en raison du fait que la matière qui est broyée par la partie

moitié d'attaque de la pièce rapportée est extrudée au-

dessous de la pièce rapportée et augmente davantage les

contraintes de contact lorsque la pièce rapportée avance.

Lorsque la pièce rapportée exerce son contact sur la paroi du trou de sondage, des forces de traction excessives agissent sur le bord de fuite, provoquant la propagation des fissures à chaud. En plus des craquelures à chaud de la pièce rapportée et de leurs dommages associés, la chaleur excessive produite peut avoir des effets négatifs sur les autres composants proches du trépan de forage, tels que les joints

élastomériques d'un coupoir tournant.

Un objet de la présente invention, par conséquent, est de mettre au point un trépan de forage qui ne génère pas de chaleur excessive et de dommages associés au voisinage des surfaces calibrées, en améliorant l'interaction entre les pièces rapportées calibrées et la paroi latérale du trou de sondage. Un autre objet de la présente invention est de mettre au point un trépan de forage qui possède des pièces rapportées calibrées qui ne sont pas alignées de façon parallèle a, et sensiblement à fleur avec, la paroi latérale du trou de sondage en cours de forage, mais qui possède une zone dC fuite de la surface externe de la pièce rapportée qui est évidée par rapport à la paroi latérale. Un autre objet supplémentaire de la présente invention est de mettre au5 point un trépan de forage qui évite les problèmes mentionnés ci-dessus et qui ont trait à la défaillance de la pièce rapportée, et qui est relativement économique à fabriquer. La présente invention propose un trépan de forage qui possède des pièces rapportées calibrées qui ont des surfaces externes qui ne s'alignent pas avec la paroi latérale du trou de sondage en cours de forage. Dans une forme de réalisation préférée, uniquement pour les besoins explicatifs, un trépan de forage du type à coupoirs tournants possède trois coupoirs tournants coniques montés sur un corps de trépan. Chacun des coupoirs tournants possède une surface de pièce rapportée tronconique à proximité de la base du cône, qui généralement s'aligne avec la paroi latérale du trou de sondage lorsque le coupoir tourne. Chacune de ces surfaces calibrées possède une pluralité de pièces rapportées calibrées installées dans des orifices réalisés à la surface calibrée. Chaque pièce rapportée calibrée possède un bord de fuite à sa surface externe légèrement plus proche de la paroi du trou de sondage que son bord de fuite, de sorte que la surface externe complète de la pièce rapportée calibrée ne

glisse pas le long de la paroi latérale du trou de sondage.

La surface externe est, à la place, légèrement déviée angulairement de la paroi latérale. Ceci se traduit par une ligne ou un arc de contact entre la paroi latérale et le bord d'attaque de la pièce rapportée, tandis qu'un angle de sécurité existe entre la partie restante de la surface de la pièce rapportée et la paroi latérale. Cet angle de sécurité se traduit par une pièce rapportée coupante libre, avec une amélioration concomitante du retrait des découpages de la formation, une durabilité des pièces rapportées accrue et une

dissipation de chaleur améliorée.

Le bord d'attaque peut être surélevé par rapport au bord de fuite, en utilisant une pièce rapportée cylindrique typique installée dans un orifice qui est biseauté par rapport à la surface calibrée. Alternativement, on peut obliger le bord d'attaque à dépasser le bord de5 fuite, en formant une surface biseautée à l'extrémité externe de la pièce rapportée et en installant la pièce rapportée selon une orientation angulaire sélectionnée dans un orifice foré de façon normale à la surface calibrée. Le bord étendu de la pièce rapportée peut dépasser par dessus la surface10 calibrée, ou il peut être au niveau de, ou légèrement audessous de, la surface. Si le bord étendu ne dépasse pas par dessus la surface calibrée, alors la surface calibrée doit s'user légèrement avant que la pièce rapportée calibrée entre en action. L'orientation angulaire du bord étendu de la pièce15 rapportée est alignée avec la position angulaire du bord

d'attaque de la pièce rapportée.

D'autres caractéristiques et avantages

ressortiront de la description suivante faite en regard des

dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un trépan de forage pour forer la croûte terrestre à cône roulant typique, montrant les parties intéressantes pour les besoins descriptifs de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe partielle de la zone calibrée d'un trépan de forage à cône roulant, comme connu dans l'art antérieur, montrant une pièce rapportée calibrée alignée avec la paroi latérale du trou de sondage; la figure 3 est une vue en élévation de la surface d'extrémité externe d'une pièce rapportée calibrée, selon les flèches 3-3 de la figure 2, montrant les zones d'attaque et de fuite de la surface de la pièce rapportée; la figure 4A est une vue en élévation d'une partie de la surface calibrée d'un trépan ayant une orientation angulaire différente du bord d'attaque; la figure 4B est une vue en élévation similaire à la vue montrée sur la figure 3, montrant une orientation angulaire différente des zones d'attaque et de fuite; la figure 5 est une vue en coupe partielle de la zone calibrée d'un trépan de forage à cône roulant selon la présente invention, montrant un bord d'attaque dépassant et5 un bord de fuite évidé de la pièce rapportée calibrée; la figure 6 est une vue en coupe partielle de la zone calibrée d'un trépan de forage à cône roulant selon la présente invention, montrant une variante de réalisation; et les figures 7 à 9 sont des vues en coupe partielle de la zone calibrée d'un trépan de forage à cône roulant selon la présente invention, montrant différentes

façons d'établir l'angle de sécurité.

En se référant initialement à la figure 1, un trépan de forage pour forer la croûte terrestre 10, du type à coupoir tournant ou à cône roulant, est montré. Le trépan de forage 10 est fileté pour un ou plusieurs colliers de forage (non montrés) qui sont enfilés sur un train de tiges de forage (non montré). Lorsque les tiges de forage sont mises en rotation par des équipements situés à la surface sur le lieu de forage, le trépan de forage 10 tourne autour de son axe central 13 dans le sens de rotation des aiguilles d'une montre lorsqu'il est vu du dessus, comme indiqué par la flèche 44. Le trépan de forage 10 comporte un corps 12 qui est composé de trois sections sensiblement similaires à

celles montrées. Les trois sections sont soudées ensemble.

Chaque section de corps 12 supporte un coupoir tournant à forme conique 14, parfois dénommé un cône roulant. Les pièces rapportées 16 désintégrant la formation sont montées sur la surface extérieure de la lame 14. Les pièces rapportées 16 sont fabriquées en une matière dure telle que le carbure de tungstène ou un diamant ou des composites de ces derniers, puis elles sont introduites à force ou brasées dans des

orifices de réception forés dans le coupoir 14.

Le coupoir 14 est monté en rotation sur une cheville ou un axe de l'une des trois sections de corps 12, l'axe du coupoir 46 étant orienté généralement vers le bas et vers l'intérieur en direction du centre du trépan 10. Le coupo.- 14 tourne autour de l'axe 46 dans le sens de rotation inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'il est vu de l'extérieur du trépan, comme indiqué par la flèche 46. Le5 fluide de forage est pompé à partir de la surface du lieu de forage situé en bas par l'intermédiaire des tiges de forage, a travers le passage de fluide 24 et émerge à travers une buse (non montrée). Le fluide de forage s'écoule ensuite à travers la partie inférieure du trépan de forage 10 et autour de l'extérieur du trépan, puis est ramené à la surface par

l'intermédiaire du trou de sondage.

Le coupoir 14 est maintenu typiquement en place sur le corps 12 au moyen d'une pluralité de roulements & billes 30. Les poussées radiale et axiale sont absorbées par les roulements 28, 32, 34. La lubrification peut être fournie aux roulements par un appareil qui est absent de cette figure, pour la clarté de l'explication. Le lubrifiant est confiné dans le trépan et le fluide de forage est isolé par le joint 26, ayant habituellement un ou plusieurs composants en matière élastomérique. Le talon d'outil 22 est une

extension du côté du trépan 10 qui s'étend partiellement par-

dessus la base du coupoir 14, facilitant l'isolement du fluide de forage et des déchets de forage associés vis-à-vis des roulements de coupoir. La matière de revêtement en métal dur est typiquement appliquée au talon d'outil 22 pour le protéger de l'usure de la paroi latérale du trou de sondage

et des déchets de forage associés.

La surface calibrée 20 est une surface tronconique proche de la base de la lame conique 14. L'angle de la surface calibrée 20 est conçu pour aligner la surface calibrée 20 avec la paroi latérale du trou de sondage, lorsque le coupoir 14 tourne autour de son montage sur le corps de trépan 12. Une pluralité de pièces rapportées calibrées dures 18 sont montées dans les orifices sur la surface calibrée 20, une surface externe 38 étant positionnée selon le diamètre de conception du trou de sondage. Lorsque le trépan 10 tourne, les coupoirs 14 tournent, provoquant la rotati.n en continu des pièces rapportées calibrées 18 au- delà de la paroi latérale du trou de sondage, maintenant le trou de sondage à son diamètre de conception et protégeant la5 surface calibrée 20 d'une érosion excessive. Les pièces rapportées calibrées 18 sont typiquement des éléments

cylindriques en matière résistant à l'abrasion et très dure, telle que le carbure de tungstène ou le diamant ou des composites de ces derniers, puis elles sont introduites à10 force ou brasées dans les orifices à la surface calibrée 20.

Les orifices de montage sont typiquement forés de façon normale à la surface calibrée 20, et la surface externe 38 de chaque pièce rapportée calibrée 18 est soit sensiblement de niveau avec, ou légèrement dépasse de, la surface calibrée 20. La surface externe 38 peut avoir une forme quelconque, mais elle est typiquement soit plate soit lissée pour

correspondre au contour de la surface calibrée 20.

En se référant à présent à la figure 2, une vue rapprochée de la surface calibrée 20 est montrée dans un trépan de forage 10 actuellement connu dans la pratique. Une rangée de dents coupantes 16, dénommée rangée de talon, voisine du talon 50, désintègre la partie inférieure du trou de sondage et établit le diamètre approximatif du-trou de sondage. Lorsque les dents de la rangée de talon s'usent, la paroi latérale 36 commence à se rapprocher de la surface calibrée 20 du coupoir 14. Le coupoir 14 s'avançant, les pièces rapportées calibrées 18 s'engagent dans la paroi latérale 36 du trou de sondage et retirent une couche mince de matière provenant de la paroi latérale 36, maintenant ainsi le diamètre de conception du trou de sondage. Dans le trépan particulier montré sur la figure 2, la pièce rapportée calibrée 18 s'engage d'abord dans la paroi latérale 36 du trou de sondage au bord d'attaque 40, qui est centré sur le point le plus bas de la surface externe de la pièce rapportée 38. Le bord de fuite 42 est par conséquent centré approximativement au point le plus haut de la surface externe 38. La pièce rapportée calibrée 18 est montrée avec son axe 48 no1-al à la surface calibrée 20, de sorte que la surface externe 38 est approximativement de niveau avec la paroi latérale 36 du trou de sondage. La surface externe 38 peut5 être essentiellement de niveau avec la surface calibrée 20, ou elle peut légèrement dépasser, comme montré. Si la surface externe 38 est fabriquée en étant de niveau avec la surface calibrée 20, alors la surface calibrée 20 doit s'user légèrement avant que les pièces rapportées calibrées 18 ne10 commencent à retirer la matière provenant de la paroi latérale 36. Dans certaines conceptions de trépans, le bord d'attaque 40 est centré en présentant une orientation angulaire davantage dirigée dans la direction de rotation du trépan de forage 10. La présente invention, comme expliqué ci-après, s'applique également aux trépans ayant des

orientations angulaires différentes de bord d'attaque 40.

Dans les trépans actuellement connus, comme montré sur la figure 2, la pièce rapportée calibrée 18 génère une chaleur excessive et des craquelures à chaud et d'autres

dommages peuvent intervenir au voisinage du bord de fuite 42.

La position du bord de fuite 42 est au mieux illustrée en se référant à la figure 3, qui est une vue de la surface externe 38 de la pièce rapportée calibrée 18 du trépan montré sur la figure 2. Les lignes de référence sont montrées pour indiquer les voisinages généraux de la zone d'attaque 38L et de la zone de fuite 38T de la surface externe 38 de la pièce rapportée calibrée 18. C'est la zone de fuite 38T qui souffre typiquement des craquelures à chaud et d'autres dommages, dans les trépans actuellement connus. Les lignes de référence n'ont pas pour but de définir avec précision les limites des zones d'attaque et de fuite, parce que ces zones peuvent avoir des tailles et des orientations différentes pour des trépans différents, et qu'elles peuvent changer pour un trépan donné dont le fonctionnement varie en fonction de la vitesse de rotation, de la vitesse de pénétration, du poids

sur trépan, par exemple.

Comme vu sur la figure 3, la zone d'attaque 38L est geâéralement limitée par le bord d'attaque 40, centré approximativement au point 40C. Similairement, la zone de fuite 38T est positionnée généralement & l'opposé de la zone5 38L, et elle est limitée par le bord de fuite 42, centré approximativement au point 42C. Il est visible que, pour ce trépan particulier, une ligne dessinée qui comprend les points 40C et 42C croisera l'axe 46 du coupoir 14. Vu différemment, un plan établi par l'axe 46 du coupoir et le10 centre de la surface externe 38 contiendrait les points 40C

et 42C.

Pour un autre trépan, comme cela est vu sur les figures 4A et 4B, le bord d'attaque 40 qui limite la zone d'attaque 38L peut être centré en ayant une orientation angulaire davantage dirigée dans la direction de rotation du trépan de forage 10, comme montré par la flèche 44. En fait, dans certains trépans, le centre 40C du bord d'attaque 40 peut être tourné dans cette direction dans la mesure o une ligne contenant les points 40C et 42C serait presque parallèle a la flèche 44. Il est visible que, dans le trépan représenté sur les figures 4A et 4B, un plan établi par l'axe de lame 46 et le centre de la surface externe 38 serait oblique par rapport à une ligne établie par les points 40C et 42C. En se référant à présent à la figure 5, une vue est montrée relative à la surface calibrée 20 d'un trépan de forage 10 mettant en pratique la présente invention. La pièce rapportée calibrée 18 est montée dans un orifice dans la surface calibrée 20, avec un axe 48 de pièce rapportée calibrée 18 en biseau par rapport à la perpendiculaire à la paroi latérale 36. L'angle selon lequel l'axe 48 diffère de la perpendiculaire à la paroi latérale 36 est également l'angle de sécurité RA entre la surface externe 38 de la pièce rapportée 18 et la paroi latérale 36. L'angle de sécurité RA est préférablement de 5 degrés environ, mais il pourrait varier entre environ 2 degrés et 20 degrés pour des

trépans particuliers et pour des applications particulières.

L'établissement de l'angle de sécurité RA provoque le léger dépassement du bord d'attaque 40 par rapport au reste de la surface externe 38, et il provoque l'évidement léger du bord5 de fuite 42 par rapport au reste de la surface externe 38.

Ceci se traduit par une génération de chaleur infiniment moindre que celle rencontrée dans les conceptions actuellement connues, accompagnée d'une élimination des craquelures à chaud et des autres dommages liés, dans la zone

de fuite 38T.

La surface calibrée 20 peut être légèrement en retrait à partir de la paroi latérale 36, comme montré, ou elle peut rester parallèle à celle connue dans l'art antérieur, aussi longtemps que la surface externe 38 de la pièce rapportée 18 est disposée selon un angle de sécurité nécessaire RA. En se référant à nouveau à la figure 3, si le trépan particulier 10 possède un bord d'attaque 40 de la pièce rapportée calibrée 18 orientée vers le point le plus bas de la pièce rapportée, un trépan de forage conforme à la présente invention aurait le point 40C dépassant légèrement en direction de l'observateur, et le point 42C serait légèrement évidé en s'écartant de l'observateur. Dans le type de trépan de forage représenté sur les figures 4A et 4B, de nouveau, le point 40C dépasserait légèrement en direction de l'observateur, et le point 42C serait légèrement en retrait aux yeux de celui-ci. Encore comme antérieurement, sur la figure 3, un plan établi par l'axe 46 et le centre de la surface 38 contiendrait une ligne établie par les points 40C et 42C. Dans cette conception, un plan contenant l'angle de sécurité RA reposerait sensiblement de façon parallèle à l'axe du trou de sondage. Sur les figures 4A et 4B, un plan établi par l'axe 46 et le centre de la surface 38 serait oblique par rapport à une ligne établie par les points 40C et 42C. Dans cette conception, un plan contenant l'angle de sécurité RA croiserait de façon oblique l'axe du trou de sondage. En se référant à la figure 6, une variante de réalisation de la présente invention est montrée. Le bord d'attaque 40 est à nouveau en dépassement par rapport au bord de fuite 42, créant un angle de sécurité RA, comme décrit ci-5 avant. Dans cette réalisation, cette relation est établie en fabriquant la pièce rapportée calibrée 18 avec une surface externe biseautée de façon appropriée. Ceci permet l'installation de la pièce rapportée calibrée 18 dans un

orifice normal à la surface calibrée 20. Comme décrit ci-

dessus, le bord d'attaque 40 peut être centré sur le point le plus bas dela surface 38, comme montré, ou le bord d'attaque peut être tourné d'une orientation angulaire, davantage

dans la direction de rotation du trépan de forage 10.

Les figures 7, 8 et 9 montrent des variantes de réalisation supplémentaires de la présente invention, illustrant plusieurs façons selon lesquelles l'angle de sécurité peut être établi. La pièce rapportée calibrée 18 peut être évidée dans un orifice dans la surface calibrée 20, comme sur la figure 7, le bord d'attaque 40 étant approximativement tangent à la surface. La pièce calibrée rapportée 18 peut dépasser de la surface calibrée 20, et la surface calibrée peut faire un angle afin de correspondre à l'angle de sécurité RA, comme sur la figure 8. En outre, la surface calibrée 20 peut être inclinée pour correspondre à l'angle de sécurité RA, et la pièce rapportée calibrée 18 peut être évidée pour s'aligner avec la surface, comme montré

sur la figure 9.

Des essais ont été conduits pour démontrer la réduction des forces tangentielles et axiales nécessaires au découpage d'une formation dure, ce qui peut être réalisé par la présente invention. L'appareil d'essai a mis en rotation une pièce rapportée calibrée cylindrique unique dans une matière de formation à une vitesse connue de rotation et une vitesse connue de pénétration. Les instruments ont mesuré les forces nécessaires dans les directions axiale et tangentielle, par rapport à la pièce rapportée calibrée cylindrique. Une pièce rapportée orientée, sa surface externe 38 étant alignée avec la paroi de la formation, s'est avérée nécessiter environ quatre fois la force axiale et deux fois la force tangentielle requises par une pièce rapportée5 identique orientée selon un angle de sécurité de 5 degrés. Cette réduction significative des forces appliquées s'est accompagnée, dans 1 'environnement de forage, d' une réduction comparable des forces de frottement entre la pièce rapportée 18 et la paroi latérale 36 du trou de sondage. Cette réduction du frottement s'est traduite par une réduction

comparable de chaleur générée.

Bien que la pièce rapportée calibrée coupante libre avec angle de sécurité particulière telle que montrée dans ce texte et décrite en détail soit complètement capable d'atteindre les objets et de réaliser les avantages présentés ci-avant, il doit être compris qu'il s'agit simplement d'une illustration des réalisations présentement préférées de l'invention et qu'il n'y a pas de limitations entraînées par

les détails de construction ou de conception montrés ici.

Claims

REVENDICATIONS

- 1. Trépan de forage à cône roulant perfectionné (10), caractérisé en ce qu'il comporte: une pièce rapportée calibrée (18) pouvant être montée sur ledit trépan de forage; une surface externe (38) sur ladite pièce rapportée calibrée destinée à s'engager dans la paroi latérale (36) d'un trou de sondage durant la rotation dudit trépan de forage;10 un bord d'attaque (40) sur ladite surface externe; et un bord de fuite (42) sur ladite surface externe, écarté de façon plus éloignée de la paroi latérale du trou de

sondage que ledit bord d'attaque.
2. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: un corps de trépan de forage (12); un coupoir tournant (14) pouvant être monté sur ledit corps de trépan de forage; et une surface calibrée (20) sur ledit coupoir tournant, ladite surface calibrée s'alignant sensiblement avec la paroi latérale (36) du trou de sondage lorsque ledit coupoir tourne; ladite pièce rapportée calibrée pouvant être

montée sur ladite surface calibrée dudit coupoir tournant.
3. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre: une pluralité de pièces rapportées calibrées (18) pouvant être montées sur ladite surface calibrée; une surface externe (38) sur chacune desdites pièces rapportées calibrées; un bord d'attaque (40) sur chacune desdites surfaces externes pour venir au contact de la paroi latérale (36) du trou de sondage; et un bord de fuite (42) sur chacune desdites surfaces externes, écarté de façon plus éloignée de la paroi latérale (38) du trou de sondage que ledit bord d'attaque.
4. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 1, caractérisé en ce que: ledit bord d'attaque repose d'un premier côté de ladite pièce rapportée calibrée qui s'engage dans la paroi latérale (38) du trou de sondage lorsque ledit trépan de forage tourne; et ledit bord de fuite repose sur un second côté de

ladite pièce rapportée calibrée.
5. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit second côté repose directement de l'autre côté de ladite pièce

rapportée calibrée dudit premier côté.
6. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 1, caractérisé en ce que: ladite pièce rapportée calibrée peut être montée sur une surface périphérique dudit trépan de forage; ladite surface externe est une surface sensiblement plate; et ladite surface externe forme un angle de sécurité

(RA) par rapport à la paroi latérale du trou de sondage.
7. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit angle de sécurité est compris entre environ 2 degrés et environ 20 degrés.
8. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit angle

de sécurité est d'environ 5 degrés.
9. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit angle de sécurité repose dans un plan sensiblement parallèle à

l'axe du trou de sondage.
10. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit angle de sécurité repose dans un plan oblique à l'axe du trou de sondage.
11. Trépan de forage à cône roulant perfectionné, caractérisé en ce qu'il comporte: un corps de trépan de forage (12); un coupoir (14) monté en rotation sur ledit corps; une surface calibrée (20) sur ledit coupoir, ladite surface calibrée s'alignant sensiblement avec la paroi latérale (38) d'un trou de sondage lorsque ledit trépan de forage tourne; une pièce rapportée calibrée (18) montée sur ladite surface calibrée; une surface externe (38) sur ladite pièce rapportée calibrée destinée à s'engager dans la paroi latérale du trou de sondage; un bord d'attaque (40) sur ladite surface externe; et un bord de fuite (42) sur ladite surface externe, qui est évidé par rapport audit bord d'attaque, établissant ainsi un angle de sécurité (RA) entre ladite surface externe

et la paroi latérale (36) du trou de sondage.
12. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit bord d'attaque repose sur un premier côté de ladite pièce rapportée calibrée o ladite pièce rapportée calibrée s'engage d'abord dans la paroi latérale du trou de sondage

lorsque ledit trépan de forage tourne.
13. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 12, caractérisé en ce que: ladite surface externe est une surface sensiblement plate; et ledit bord d'attaque est bissecté par un plan de référence établi par l'axe dudit coupoir et le centre de

ladite surface externe.
14. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 12, caractérisé en ce que: ladite surface externe est une surface sensiblement plate; et une ligne de référence contenant le centre dudit bord d'attaque et le centre de ladite surface externe ne croise pas l'axe dudit coupoir.
15. Trépan de forage a cône roulant perfectionné selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit angle de sécurité est compris entre environ 2 degrés et environ 20

degrés.
16. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit angle

de sécurité est d'environ 5 degrés.
17. Trépan de forage à cône roulant perfectionné, caractérisé en ce qu'il comporte: un corps de trépan de forage (12); une pluralité de coupoirs à forme conique (14) montés en rotation sur ledit corps, l'apex de chacun desdits coupoirs étant orienté généralement en direction de l'axe longitudinal dudit corps; une surface calibrée tronconique (20) sur chacun desdits coupoirs, à proximité de la base de chacun desdits coupoirs, lesdites surfaces calibrées s'alignant sensiblement avec la paroi latérale (36) d'un trou de sondage, lorsque ledit trépan de forage tourne; une pluralité de pièces rapportées calibrées sensiblement cylindriques (18) montées sur chacune desdites surfaces calibrées; une extrémité externe plate sur chacune desdites pièces rapportées calibrées destinée à s'engager dans la paroi latérale du trou de sondage; un bord d'attaque (40) sur chacune desdites extrémités externes; et un bord de fuite (42) sur chacune desdites extrémités externes, ledit bord de fuite étant évidé par rapport audit bord d'attaque correspondant, établissant ainsi un angle de sécurité entre chacune desdites extrémités externr et la paroi latérale du trou de sondage.
18. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit angle de sécurité est établi en fabriquant chacune desdites pièces rapportées calibrées avec ladite extrémité externe plate selon un angle oblique avec l'axe longitudinal de ladite pièce rapportée calibrée.
19. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit angle de sécurité est établi en installant chacune desdites pièces rapportées calibrées selon un orifice incliné dans ladite

surface calibrée.
20. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit angle de sécurité est compris entre environ 2 degrés et environ 20 degrés.
21. Trépan de forage à cône roulant perfectionné selon la revendication 20, caractérisé en ce que ledit angle

de sécurité est d'environ 5 degrés.