FR2774420A1 - Piece de coupe dissymetrique destinee a un outil de forage - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une pièce de coupe (0) composée d'un support (10), de préférence en carbure de tungstène, revêtu d'une garniture (20) abrasive, de préférence en diamant polycristallin, le support (10) ayant une base (11) cylindrique et un sommet (12) cylindrique, la garniture (20) comportant une portion (30) distale cylindrique prolongée continûment par une portion (40) latérale, la portion (30) distale cylindrique recouvrant ledit sommet (12), la portion latérale (40) s'étendant le long de parois (4, 24) latérales de la pièce (0) vers la base (11) du support.Selon l'invention, la portion (40) latérale forme essentiellement un cylindre à base non-circulaire et couvre un secteur entier des parois latérales de la pièce.Application au domaine des trépans ou outils de forage, notamment de forage pétrolier.

Description

PIECE DE COUPE DISSYMETRIQUE
DESTINEE A UN OUTIL DE FORAGE
La présente invention concerne le domaine des trépans ou outils de forage, notamment de forage pétrolier, et en particulier une pièce de coupe, destinée à être montée sur un tel outil.

La figure 9 illustre un exemple répandu d'outil de forage f, qui comporte cinq lames a, b, c, d, e disposées radialement sur la tête de l'outil à profil convexe. Chaque lame a ou c est constituée d'une rangée de pièces de coupe al,a2,a3... ou cl,c2... qui, lors du forage d'un puits, taraudent les parois et le fond du puits, de façon analogue à une râpe.

Les pièces de coupe, encore appelées plaquettes ou pastilles (ou en anglais "cutters", "clusters", "compact") ont généralement une forme de cylindre de révolution comme le montre la vue de détail de la pièce d2 de la figure 9. En utilisation, les pièces de coupe al, a2, a3 effectuent une trajectoire circulaire suivant la rotation du trépan f. Chaque pièce d2 est fixée à l'intérieur d'une poche suivie d'un talon respectif d2' faisant saillie tangentiellement de la tête du trépan f. Chaque pièce cylindrique d2 est disposée de sorte que ses génératrices sont sensiblement tangentes à la trajectoire circulaire. La face sommitale de la pièce cylindrique d2 est donc disposée radialement et fait face au terrain à forer lors de l'utilisation. En fait, il est prévu de dévier légèrement la face de chaque pièce vers l'extérieur radialement et vers le bas, en laissant un angle double entre la face sommitale de la pièce d2 et le plan radial joignant cette pièce à l'axe de l'outil. Ainsi, les particules de terrain arrachées sont déviées et évacuées ce qui permet à la pièce de coupe d'être stabilisée dynamiquement, en évitant notamment des phénomènes de vibrations mécaniques rédhibitoires.

L'action de la pièce de coupe lors du forage du terrain se concentre sur la partie externe du périmètre sommital de la pièce cylindrique d2 qui forme une arête de coupe.

De façon connue, les pièces de coupe sont constituées d'un support cylindrique recouvert d'une couche de matériau abrasif. Le support est composé de matériau dur, généralement un carbure métallique fritté, en particulier du carbure de tungstène. Les supports peuvent facilement être brasés dans des logements situés devant les talons du trépan. La couche abrasive est composée de matériau à dureté particulièrement élevée, et à coefficient de friction particulièrement réduit.

La couche abrasive est formée de préférence d'un composite constitué de diamant polycristallin (noté en abrégé PDC ci-après) fritté sur le support en carbure, dans des conditions de température et de pression très élevées. Le frittage et la liaison de la couche abrasive sur le support sont des opérations délicates qui font l'objet de techniques connues de l'homme de l'art, et qui ne seront pas détaillées dans la présente.

On connaît différentes géométries de pièces de coupe avec une telle composition hybride. La géométrie la plus simple consiste à disposer une couche abrasive d'épaisseur régulière sur toute la face sommitale du support cylindrique. En utilisation, on constate un problème d'usure non régulière de la couche abrasive, ce qui provoque des défaillances ou destructions rapides de pièces de coupe.

Les brevets US-5 486 137 et, conjointement, US-5 494 477, au nom de General Electric Company, décrivent des pièces de coupe hybrides dont la couche abrasive est séparée du support par une interface comportant deux demi-plans ou plusieurs bandes de plans dont certains sont faiblement inclinées par rapport à la face sommitale de la pièce cylindrique. Il est prévu que l'épaisseur de la couche abrasive augmente radialement de façon régulière depuis le centre de la pièce vers l'arête de coupe. Une telle disposition accroît légèrement la durée de vie des pièces de coupe car l'usure de la couche abrasive est concentrée sur l'arête de coupe. Toutefois, ces pièces de coupe ont l'inconvénient de présenter toujours des problèmes d'usure, le supplément d'épaisseur de couche abrasive étant faible.

Le brevet US-5 566 779, au nom de Dennis, décrit une pièce de coupe hybride dont la couche de PDC comporte deux extensions latérales. Chaque portion latérale en PDC est séparée du support par un demi-plan d'interface fortement incliné d'un angle aigu variant de 15 à 450 par rapport à l'axe de la pièce cylindrique.

Cette pièce de coupe présente l'inconvénient, outre le fait qu'une des extensions latérales n'est pas opérante car située à l'opposé de l'arête de coupe, de ne pas supprimer les problèmes d'usure latérale de la pièce.

Dennis propose d'autre part dans le brevet US-5 499 688 une géométrie de pièce de coupe hybride dont l'extrémité sommitale ronde ou chanfreinée est revêtue d'une couche abrasive d'épaisseur régulière, des stries spirales étant creusées le long des parois latérales de la pièce et remplies de PDC.

L'inconvénient de cette pièce de coupe à nervures latérales de renfort en PDC est que les problèmes d'usure ne sont pas résolus, la pièce se détruisant dès que l'usure a rongé l'épaisseur de la couche abrasive sommitale le long de l'arête de coupe.

Le brevet US-5 590 727 décrit une pièce de coupe hybride destinée au domaine des outils à mèche conique dotée d'ailettes, dans lesquels les pièces sont disposées en oblique par rapport à l'axe de la mèche et au fond plat du trou à creuser. Les pièces se présentent ainsi de profil devant le terrain à creuser, au lieu de se présenter de face. La pièce cylindrique comporte une portion en PDC dont l'épaisseur croît diamétralement mais graduellement. En effet, l'interface séparant la portion en PDC du substrat est taillée d'une série de marches d'escaliers, c'est-àdire qu'elle comporte plusieurs flancs parallèles à la face sommitale de la pièce cylindrique séparés par plusieurs flancs obliques par rapport à cette face.

L'interface graduée est finalement grossièrement parallèle au bord droit des ailettes et au fond plat du trou à creuser.

L'inconvénient de cette pièce de coupe est qu'elle n'est pas adaptée à une utilisation sur un outil de forage agissant par arasement tangentiel.

De façon générale, l'inconvénient de ces pièces de coupe est que la prolongation de la durée d'utilisation apportée par les géométries alternatives précitées est insensible, en tout cas inférieure, à l'épaissement de la couche abrasive adopté. Dans les pièces de coupe connues, en effet, lorsque l'usure atteint l'épaisseur de la couche abrasive, le substrat en carbure entre au contact du terrain. Comme le coefficient de frottement du carbure est supérieur à celui du diamant, la pièce de coupe s'échauffe, s'érode rapidement, et se détruit ou est emportée.

Un autre problème apparaît lors de forages de puits non-linéaires. Cette technique de forage récente, convenant particulièrement aux forages pétroliers, consiste à creuser un puits suivant un tracé vertical puis à former un coude pour suivre un tracé horizontal, afin de traverser une nappe pétrolifère dans sa plus grande dimension. On constate une multiplication de défaillances de pièces de coupe lors de la déviation du forage dans le coude.

L'analyse du problème montre que, pour dévier le forage, l'outil subit un mouvement équatorial, c'est-àdire un double mouvement de rotation autour de deux axes. Un moteur hydraulique, monté à l'arrière de la tête de forage, engendre un premier mouvement de rotation de l'outil autour de son axe, tandis qu un volant en surface, appelé "table rotary", engendre un second mouvement de rotation autour d'une direction non-axiale qui tend à rejoindre l'horizontale.

De façon surprenante, l'analyse du mouvement des pièces de coupe lors de la double rotation montre que leur trajectoire n'est pas circulaire mais suit une courbe qui se resserre jusqu'à former localement une boucle fermée. La plaquette effectue alors localement un mouvement de precession, c'est-à-dire un mouvement de retour dans un sens inverse au mouvement de rotation général de l'outil.

Ainsi, de façon surprenante, les pièces de coupe, au lieu de creuser dans leur direction axiale, face à la couche abrasive en PDC protégeant l'extrémité sommitale de la pièce, sont amenées à creuser dans une direction opposée ou latérale.

L'inconvénient des pièces de coupe connues est qu'elles sont mal protégées contre une usure latérale.

Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités.

Un but particulier de l'invention est de réaliser une pièce de coupe ayant une résistance à l'usure et une durée d'utilisation accrue quel que soit le type de forage.

Un autre but de l'invention est de limiter le coût de fabrication d'une pièce de coupe et de minimiser la quantité de diamant mise en oeuvre en optimisant la répartition du diamant par rapport à l'usure attendue.

Enfin, un but de l'invention est d'améliorer la liaison de la couche abrasive sur le support et, notamment, d'améliorer la tenue aux contraintes thermiques et mécaniques.

Succinctement, ces buts sont atteints en prévoyant selon l'invention de couvrir par une garniture abrasive en PDC toutes les surfaces de la pièce susceptible d'entrer en contact avec le terrain. La garniture abrasive en PDC couvre ainsi continûment la face sommitale du support et un secteur angulaire entier des parois latérales du support. La garniture comporte avantageusement une portion distale cylindrique d'épaisseur axiale sensiblement constante et une portion latérale d'épaisseur radiale sensiblement constante le long d'une génératrice de la pièce cylindrique. De préférence, la portion latérale a une épaisseur sensiblement constante sur toute la surface du secteur de parois latérales couvert et forme donc un secteur tubulaire.

L'invention est réalisée avec une pièce de coupe destinée à un outil de forage, la pièce étant composée d'un support, de préférence en carbure de tungstène, revêtu d'une garniture abrasive, de préférence en diamant polycristallin, le support ayant une base cylindrique et un sommet cylindrique, la garniture comportant une portion distale cylindrique prolongée continûment par une portion latérale, la portion distale cylindrique recouvrant ledit sommet, la portion latérale s'étendant le long de parois latérales de la pièce vers la base du support, avec la particularité que la portion latérale forme essentiellement un cylindre à base non-circulaire et couvre un secteur entier des parois latérales de la pièce.

De façon alternative, la portion latérale forme essentiellement un cylindre tronqué.

De façon alternative, les parois latérales sont finalement biseautées.

De façon avantageuse, la pièce est cylindrique suivant un axe de génératrices, et la portion distale de garniture abrasive a une épaisseur axiale sensiblement constante.

De façon avantageuse, la pièce est circulaire, et la portion latérale de garniture abrasive a une épaisseur radiale sensiblement constante le long d'une génératrice. De préférence, la portion latérale de garniture abrasive a une épaisseur radiale sensiblement constante dans le secteur couvert en entier.

Une combinaison avantageuse prévoit que, la pièce étant un cylindre de révolution, la portion distale est un cylindre droit à base circulaire, et la portion latérale est un cylindre droit à base non-circulaire, la pièce cylindrique et les portions distale et latérale ayant un même axe de génératrices.

Un mode de réalisation préféré prévoit que la portion latérale forme essentiellement un secteur tubulaire ou annulaire. De façon sensiblement équivalente, il est prévu que la base de la portion latérale forme sensiblement un secteur de couronne ou un secteur d'anneau circulaire ou non-circulaire.

Selon un deuxième mode de réalisation, la base de la portion latérale forme sensiblement un secteur angulaire de cercle.

Selon un troisième mode de réalisation, la base de la portion latérale forme sensiblement un segment circulaire.

Selon un quatrième mode de réalisation, la base de la portion latérale forme sensiblement un croissant.

De préférence, la portion latérale couvre les parois latérales de la pièce sur un secteur angulaire d'environ 30 degrés à environ 180 degrés.

De préférence, le support et la garniture sont séparés par une interface qui présente au moins une arête arrondie.

D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et des dessins qui vont suivre, donnés uniquement à titre d'exemples non-limitatifs. Sur les dessins annexés
- la figure 1 représente des vues d'un mode de réalisation particulier de pièce de coupe selon l'invention, la figure la étant une vue cavalière de la pièce, la figure lb étant une section droite de la pièce, la figure lc étant une coupe sagittale de la pièce
- la figure 2 représente une section droite d'un deuxième mode de réalisation de pièce de coupe selon l'invention,
- la figure 3 représente des vues d'un troisième mode de réalisation de pièce de coupe selon l'invention, la figure 3a étant une vue cavalière de la pièce, la figure 3b étant une section droite de la pièce, la figure 3c étant une coupe sagittale de la pièce
- la figure 4 représente une section droite d'un quatrième mode de réalisation de pièce de coupe selon l'invention ;
- la figure 5 représente des vues du mode de réalisation préféré de pièce de coupe selon l'invention, la figure 5a étant une vue cavalière de la pièce, la figure 5b étant une section droite de la pièce, la figure 5c étant une coupe sagittale de la pièce, la figure 5d étant une vue latérale, face à la portion latérale de la pièce
- les figures 6 à 7 représentent une réalisation préférée de support de pièce de coupe selon l'invention, la figure 6 représentant une vue de face du support, la figure 7 représentant une vue en oblique du support, la figure 8 représentant une vue de dessus du support et,
- la figure 9 représente un outil de forage de type connu, avec une vue de détail de l'usure d'une pièce de coupe selon l'état de la technique.

Sur les figures 1 à 8, les numéros de référence désignant des éléments fonctionnels similaires diffèrent seulement par le chiffre des centaines. Les pièces de coupe 0, 100, 200, 300, 400 et 500, selon l'invention, ont de préférence une forme de cylindre droit à base circulaire, c'est-à-dire une forme cylindrique de révolution afin d'être aisément insérées, positionnées et brasées dans des logements circulaires de trépan de type classique. Cependant d'autres formes sont envisageables et il convient de rappeler ici le sens général du terme cylindre et les principales variantes envisageables.

Le terme cylindre désigne généralement un solide formé à partir d'une surface plane, de forme quelconque, fermée par une courbe appelée directrice et développée parallèlement à une direction (axe des génératrices) qui coupe le plan de la surface, le solide étant limité à une extrémité par la surface plane fermée, appelée base, et, à l'autre extrémité, par une surface parallèle identique, appelée sommet.

Si la directrice n'est pas un cercle complet, on parlera de cylindre à base non-circulaire. Certains cylindres peuvent avoir par exemple une base polygonale, notamment carrée, ou encore une base elliptique ou ovale.

Un cylindre est droit ou oblique selon que les génératrices sont perpendiculaires au plan de la surface de base ou ne le sont pas.

En outre, le terme cylindre couvre dans la présente, non seulement les solides cylindriques à base et sommet parallèles, mais aussi les solides cylindriques délimités par des surfaces non parallèles, généralement appelés cylindres tronqués. En somme, la particularité d'un cylindre, selon la présente, est de présenter des parois latérales parallèles, les parois latérales étant formées d'un ensemble de segments de génératrices, les segments étant parallèles mais pouvant avoir des longueurs différentes.

Les pièces de coupe des figures 1 à 8, présentent donc avantageusement des faces planes circulaires à leur extrémité proximale 1 et à leur extrémité distale 2, ainsi que des parois latérales 3, 4 parallèles.

Les pièces sont constituées d'un support 10 en substrat revêtu d'une garniture 20 abrasive dont l'épaisseur relative est exagérée sur les figures pour détailler la géométrie.

La garniture 20 est composée d'un matériau abrasif, c'est-à-dire d'un matériau ayant à la fois une dureté extrêmement élevée et un coefficient de friction extrêmement réduit. Ainsi, l'usure et l'échauffement de la garniture lors du forage sont avantageusement restreintes. La garniture 20 abrasive est, de préférence, réalisée en matériau composite de diamant polycristallin.

Le support 10 est constitué d'un substrat, d'une part apte à former de fortes liaisons avec le matériau abrasif, et d'autre part apte à être brasé sur le corps du trépan, contrairement au diamant dont la tension superficielle ne permet pas de brasage. Le support 10 est, de préférence, composé de carbure fritté, notamment de carbure de tungstène, substrat suffisamment dur pour des applications de forage et apte à être brasé.

Comme illustré sur la vue de détail de la figure 9, on constate que l'usure d'une pièce de coupe d2 classique se concentre sur l'arête de coupe, puis, dès que l'épaisseur en PDC de l'arête est usée, l'usure ronge le substrat se trouvant directement derrière l'arête de coupe, en suivant une direction axiale (direction de fuite ou de traînée suivie par les particules de terrain).

De façon générale, comme visible sur les figures 1 à 8, il est donc prévu que toute pièce de coupe 0,100,200,300,400 ou 500, selon l'invention, comporte une portion distale 30 de garniture abrasive en PDC recouvrant la face distale 2 de la pièce et une portion latérale 40 de garniture abrasive en PDC couvrant un secteur entier S1, S2, S3, S4, S5 des parois latérales 4 de la pièce. La portion latérale 40 en PDC s'étend, le long des parois latérales 4, parallèlement à l'axe
A-A' de la pièce, en direction de l'extrémité proximale 1 qui forme la face de base de la pièce. La portion latérale 40 couvre ainsi entièrement une surface droite comprise entre deux génératrices G et G' de la pièce cylindrique. Cette surface droite inclus de préférence l'ensemble des génératrices de la pièce cylindrique qui s'appuient sur l'arête de coupe E tel qu'illustré sur les figures la, 3a, 5a et 5d.

L'avantage essentiel de cette particularité de pièce de coupe selon l'invention est que les particules de terrain qui suivent un mouvement tangentiel par rapport à l'outil, donc un mouvement sensiblement axial par rapport à la pièce de coupe, ne peuvent pas entrer en contact avec le substrat en carbure et commencer à 1' endommager.

Un autre avantage de cette particularité, est que les parois latérales sont complètement protégées, sur un secteur entier, le secteur correspondant de préférence à la partie des parois qui est à découvert lorsque la pièce est positionnée dans un logement de l'outil de forage.

En outre, lors des mouvements de précession de la pièce évoqués précédemment, ou lors d'un mouvement de marche arrière de l'outil de forage, ce sont les parois latérales 4 des pièces de coupe qui subissent l'effet d'arasement du terrain. De façon avantageuse, les pièces de coupe selon l'invention sont complètement protégées contre un tel arasement latéral.

Selon l'invention, la garniture 20 en PDC de la pièce 0 est donc constituée de deux portions, une portion distale 30 prolongée continûment par une portion latérale 40.

Consécutivement, comme le montrent les figures 1 à 8, la garniture 20 et la pièce entière ne sont pas symétriques par rapport à l'axe A-A' de révolution de la pièce 0. Cependant, la garniture 20 et la pièce sont de préférence symétriques par rapport à un plan C-C' axial qui partage l'arête de coupe E en deux moitiés.

Comme la garniture 20 et le support 10 présentent un défaut, mais pas une absence de symétrie, la pièce est qualifiée de dissymétrique.

Plusieurs modes de réalisation alternatifs vont maintenant être détaillés, en partant de la géométrie la plus simple pour arriver à une géométrie complexe correspondant au mode de réalisation préféré.

La figure 1 illustre une première réalisation, particulièrement simplifiée, de pièce de coupe 0 selon l'invention.

Sur les vues la, lb et lc de la figure 1, il apparaît que la portion latérale 40 de garniture en PDC a une forme de demi-cylindre. La garniture en PDC comporte donc une portion 30 distale cylindrique, de préférence circulaire de révolution autour de l'axe A
A', prolongée continûment dans la direction axiale par un demi-cylindre ayant le même axe A-A' de génératrice et ayant pour directrice la moitié du cercle directeur de la portion distale 30.

Pour réaliser une telle pièce 0, le support 10, originellement constitué d'un cylindre de révolution autour de l'axe A-A', est tronqué par un plan 23 suivant l'axe A-A', avant d'être recouvert de matériau abrasif pour reformer une pièce cylindrique de hauteur axiale légèrement supérieure.

Le plan 23 de troncature peut s'étendre sur toute la hauteur axiale du support. Dans ce cas, le support 10 est finalement un cylindre droit à base 11 semicirculaire.

De façon alternative, le plan 23 de troncature s'étend sur une partie seulement de la hauteur axiale du support, depuis le sommet 21 du support. Par exemple, la hauteur de troncature peut mesurer environ un à deux tiers, typiquement la moitié, de la hauteur axiale du support. Un avantage d'une telle alternative est que la base 11 du support conserve une surface maximale d'extrémité 1 et de pourtours latéraux 3, 4 en carbure pour être brasée sur un talon de l'outil de forage, ce qui renforce sa fixation. Dans cette alternative, le support a la particularité de comporter une partie de base 11 cylindrique et une partie de sommet 12 cylindrique, sans que les directrices de la base et du sommet soient identiques.

Sur les vues la et lc, une ligne tiretée 25 indique un exemple de limite axiale de troncature partielle du support 10 qui engendre donc un troisième plan ou surface d'interface entre la portion 40 latérale de garniture abrasive et la base 11 en substrat. La surface 25 a une forme quelconque, de préférence plane et perpendiculaire aux parois 4 latérales de la pièce 0. La surface 25 peut encore être un plan incliné ou être arrondie pour éviter de former une arête avec la surface 23 de troncature.

Une surface arrondie 22 (représentée en tireté figures la et lc) peut, de la même façon, être prévue entre la surface de sommet 21 du support 10 et la surface 23 de troncature pour éviter de former une arête.

De façon avantageuse, de telles surfaces arrondies répartissent et diminuent les contraintes thermiques et mécaniques qui apparaissent entre le support 10 et la garniture 20 abrasive, ce qui renforce la cohésion de la pièce de coupe hybride selon l'invention. De plus, en abattant les arêtes d'interface, on supprime un lieu d'apparition de dislocations.

Un autre avantage de la pièce de coupe à portion latérale de garniture selon l'invention, est que l'interface 21, 22, 23 et 25 séparant le support de la garniture, présente une surface particulièrement étendue, ce qui renforce l'accrochage de la garniture 20.

On notera que dans la première réalisation, la portion 40 latérale en PDC occupe un secteur angulaire S1 de 1800 qui couvre généralement toute l'étendue postérieure à l'arête de coupe E illustrée figure la.

Toutefois, l'étendue des arêtes de coupe des pièces al, a2, a3, etc, telles qu'illustrées sur la figure 9, varie fortement selon l'emplacement de chaque pièce sur l'outil f de forage et selon le nombre de lames a, b, c, d, e.

L'étendue de l'arête de coupe d'une pièce fortement exposée, comme la pièce el isolée au centre de l'outil f de la figure 9, atteint typiquement un angle de 1200 voire de 1800. Cependant, les pièces de coupe redondantes (pièces de chaque lame qui passent sensiblement par la même position sur le profil radial du forage), comme les pièces a2, b4, c2, d2, e4 ou les pièces périphériques de l'outil f de la figure 9, sont d'autant moins exposées que l'outif f comporte plus de lames. L'étendue de l'arête de coupe d'une pièce faiblement exposée se réduit typiquement à un angle de 500 voire de 10 . En conséquence, l'angle S1 du secteur 24 occupé par la portion latérale 40 peut varier de 100 à 1800 et, typiquement, de 50 à 1200.

La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation de pièce de coupe 200 selon l'invention, dans laquelle la portion latérale 240 de garniture abrasive forme sensiblement un secteur angulaire de cylindre.

La section droite de la figure 2 montre, en considérant que la pièce 200 est cylindrique de révolution, que la portion latérale 240 est constituée de préférence d'un cylindre droit dont la base est un secteur angulaire de disque. De préférence, le secteur 224 occupe un angle S2 ouvert, c'est-à-dire inférieur à 1800, qui inclus ou égale l'étendue de l'arête E de coupe. De façon avantageuse, la portion latérale 240 en
PDC couvre ainsi un secteur angulaire réduit, ce qui convient à une arête E de coupe d'étendue réduite.

Vue en coupe sagittale, selon l'axe C-C' de la figure 2, la deuxième réalisation apparaît semblable à la vue lc de la figure 1.

Pour réaliser une telle pièce, le support 210 originellement cylindrique de révolution autour de l'axe A-A', est tronqué par deux demi-plans 226 et 227 se rejoignant le long de l'axe A-A' pour former un dièdre d'angle S2 ouvert.

De préférence, la troncature s'étend seulement sur une partie de la hauteur axiale du support, avec les alternatives et les avantages précités.

Une autre alternative prévoit de relier les demiplans 226 et 227 par une surface 223 arrondie pour supprimer avantageusement l'arête A-A' du dièdre.

Consécutivement, la portion 240 latérale de garniture abrasive en PDC remplace le volume tronqué et a donc la forme d'un cylindre à base non-circulaire, la base formant sensiblement un secteur angulaire, de cercle, ou d'ellipse voire d'une autre surface.

Un avantage du second mode de réalisation de pièce de coupe selon l'invention est la réduction de la quantité de diamant mise en oeuvre.

Toutefois, la portion latérale 240 couvre toujours un secteur 224 droit des parois latérales 4 de la pièce, le secteur ayant des bords droits, c'est-à-dire constitués de segments de génératrices G de la pièce cylindrique. Ceci peut se constater en se reportant à la figure 3, car la deuxième réalisation présente un aspect extérieur identique à la vue cavalière 3a d'une autre réalisation qui va maintenant être décrite.

La figure 3 illustre une pièce de coupe 300, selon le troisième mode de réalisation de l'invention, dans laquelle la portion 340 latérale de garniture abrasive est constituée essentiellement d'un cylindre, de préférence droit, dont la base est un segment circulaire. Comme le montre la vue 3b, le segment circulaire (ou segment de disque) est une surface plane délimitée par un arc 324 de cercle d'angle S3, et par une corde 323 qui sous-tend l'arc 324.

La réalisation d'une telle pièce de coupe est similaire à la première réalisation, à la différence que le support est tronqué par un plan 323 de troncature qui est simplement parallèle à l'axe A-A' de la pièce 300. De préférence, le segment 324 de disque occupe un angle S3 ouvert, le plan de troncature passant entre l'axe A-A' et les parois latérales 4 auxquels la troncature est parallèle.

De préférence, la troncature 323 s'étend partiellement sur la hauteur axiale du support 310 et présente des surfaces 322, 328 arrondies, avec les alternatives et les avantages précités.

Ainsi, le volume de la portion latérale 340 peut correspondre exactement au développement de la surface sommitale délimitée par l'arête E de coupe, parallèlement à la direction axiale A-A' qui correspond sensiblement à la direction des particules de terrain, c'est-à-dire parallèlement à la direction d'extension de l'usure.

Un avantage d'une telle correspondance est l'optimisation de la quantité de diamant mise en oeuvre dans le troisième mode de réalisation de pièce de coupe selon l'invention par rapport à l'étendue de l'arête de coupe.

La figure 4 illustre un quatrième mode de réalisation de pièce de coupe 400 selon l'invention, dans laquelle la portion latérale 440 de garniture abrasive forme un cylindre - de préférence droit - dont la base est un croissant.

La section droite de la figure 4 montre, en considérant que la pièce 400 est cylindrique de révolution, que les génératrices de la portion distale cylindrique s'appuient sur une directrice formée d'un arc de cercle 424 externe couvrant le secteur S4 de parois latérales de la pièce, et fermée par un arc de cercle 423 interne joignant les extrémités de l'arc 424 externe.

De préférence, le croissant a une forme biconvexe, et l'arc 423 de cercle interne a un rayon supérieur à l'arc 424 de cercle externe, le centre des arcs de cercles 423 et 424 étant situé de façon décalée sur l'axe de symétrie C-C' de la pièce.

L'aspect extérieur et la coupe sagittale de la quatrième réalisation apparaissent semblables à la vue cavalière 3a et à la coupe sagittale 3c de la figure 3.

On peut prévoir une troncature partielle, comme dans les modes de réalisation précédents, cependant il est préférable de former une troisième surface 325 ou 328 d'interface oblique par rapport aux parois latérales 4 et à la surface 323 de troncature, la surface 325 ou 328 formant de préférence un angle aigu avec l'axe A-A', afin que la base de la portion latérale 340 s'achève en formant un bec ou un sifflet.

Comme précédemment, il est prévu avantageusement d'abattre les arêtes d'interface en formant des surfaces arrondies.

Un avantage du quatrième mode de réalisation de pièce de coupe selon l'invention est qu'il permet de minimiser la quantité de diamant mise en oeuvre par rapport à la surface abrasive externe de la pièce obtenue. On peut en effet constater, en comparant les figures lb, 2, 3b et 4, que la portion latérale occupe un volume minimal dans le quatrième mode de réalisation, alors que les surfaces externes de garniture abrasive sont identiques si les angles S2, S3 et S4 sont identiques.

I1 apparaît, dans les quatre premiers modes de réalisation, que les portions distales 40, 240, 340, 440 ont une épaisseur radiale sensiblement constante suivant l'axe A-A' de la pièce, soit une épaisseur radiale sensiblement constante le long de chaque génératrice 4 ou G de la pièce ou de la portion distale. Toutefois, l'épaisseur radiale peut éventuellement varier progressivement à l'endroit de surfaces 22, 28 arrondies et d'une surface 25 oblique de fin de troncature.

I1 est prévu un cinquième mode de réalisation, de pièce de coupe selon l'invention dans laquelle, de façon particulièrement avantageuse, l'épaisseur radiale de la portion latérale est non seulement sensiblement constante le long des génératrices, mais aussi sensiblement constante sur le secteur entier de parois latérales qui est couvert par la portion latérale.

La figure 5 illustre une pièce de coupe 500, ayant une telle particularité, et qui constitue le mode de réalisation préféré de l'invention, car il combine les diverses caractéristiques et avantages des modes de réalisation précédents.

La figure 5b montre ainsi une pièce de coupe 500 cylindrique de révolution autour de l'axe A-A', dans laquelle, selon la réalisation préférée, la portion latérale 540 couvre un secteur S5 entier des parois circulaires de la pièce 500 et dans laquelle il est prévu que l'épaisseur de garniture abrasive en PDC prise perpendiculairement aux parois latérales 524, est constante sur toute l'étendue du secteur S5 des parois 524 occupé par la portion latérale 540.

L'avantage essentiel du mode de réalisation préféré de pièce de coupe selon l'invention est que les parois latérales sont protégées de l'usure par une réserve de garniture abrasive égale sur tout le secteur exposé aux dégradations qui se trouve à l'arrière axialement de l'arête E de coupe.

La pièce de coupe 500 - de préférence cylindrique de révolution autour de l'axe A-A' - comporte donc une portion latérale 540 formée par un secteur S5 de tube.

Par définition, le tube est un volume délimité par deux surfaces cylindriques concentriques.

La portion latérale 540 est ainsi formée d'un cylindre droit, ayant typiquement le même axe A-A' que la pièce, dont la base est un secteur de couronne d'angle S5.

La directrice de la portion latérale 540 cylindrique est donc constituée de l'arc 524 de cercle des parois latérales circulaires de la pièce couvrant l'angle S5 et d'un arc 523 de cercle ayant, de préférence, le même centre, le même angle S5 et un rayon inférieur au rayon des parois 524 circulaires. La directrice est fermée par deux segments 526 et 527, sensiblement radiaux, joignant les extrémités des arcs 523 et 524.

Pour réaliser une telle pièce, le support originellement cylindrique est donc tronqué par des surfaces planes radiales 526, 527 et par une surface cylindrique 523 pour limiter radialement le volume de troncature. Le volume tronqué est finalement rempli de
PDC pour former la portion latérale 540.

Une alternative préférée prévoit une troncature partielle, la portion latérale 540 s'étendant sur une partie de la hauteur axiale de la pièce, de sorte que la partie de base 2 de la pièce 500 est totalement en substrat de carbure de tungstène. Dans ce cas, la troncature est limitée axialement par une surface 525 de préférence plane et radiale.

Comme le montre la figure 5, en considérant une pièce de coupe 500 cylindrique de révolution, le support 510 est au contact des portions distale 530 et latérale 540 par l'intermédiaire de plusieurs surfaces, une surface 521 plate radiale donc perpendiculaire à l'axe A-A', une surface 523 courbe paralléle à l'axe A
A' des génératrices, et deux ou trois surfaces 527, 526 et/ou 525 plates radiales, donc perpendiculaires aux parois 524 latérales cylindriques de la pièce 500.

De façon avantageuse, la garniture abrasive et le substrat sont ainsi reliés par l'intermédiaire d'une interface présentant une superficie d'hybridation étendue, ce qui renforce la cohésion de la pièce 500.

De façon caractéristique en somme dans tous les modes de réalisations, l'interface séparant le support 510 et la garniture abrasive 520 comporte une première surface 521 plate qui s'étend sensiblement transversalement à la pièce, et une deuxième surface 523 généralement courbe qui s'étend sensiblement longitudinalement à la pièce, les première et deuxième surfaces étant contiguës. De plus, dans le mode de réalisation préféré, l'interface comporte une ou plusieurs troisièmes surfaces 527, 526 et éventuellement 525, qui s'étendent radialement à la pièce, les deuxième et troisièmes surfaces étant contiguës.

De façon avantageuse, l'interface séparant la garniture 520 abrasive et le support 510 affleure perpendiculairement la surface externe de la pièce 500.

En effet, chaque surface 521, 527, 526 ou 525 interne rejoint perpendiculairement la surface externe des parois latérales 3,4 de la pièce.

Un tel affleurement perpendiculaire s'illustre également dans les premiers modes de réalisation visibles aux figures 1 et 2.

L'avantage de l'affleurement perpendiculaire de chaque interface 521, 526, 527 à la surface externe de la pièce 500, est de réduire et de répartir les contraintes provoquées par la dilatation thermique et par les efforts mécaniques subis par la pièce 500, ce qui empêche l'apparition de dislocations.

De même, en cas de troncature totale, la surface 523 de troncature est avantageusement perpendiculaire à la surface 1 externe de base de la pièce 500.

De même, en cas de troncature partielle, on peut prévoir avantageusement que la surface 525 d'interface limitant axialement la troncature est sensiblement perpendiculaire aux parois latérales 4, 524 de la pièce pour limiter l'apparition de contraintes. Cependant, on peut alternativement prévoir que la surface 525 est légèrement inclinée par rapport à la direction radiale de la pièce 500.

On peut noter que, dans tous les modes de réalisation selon l'invention, l'interface apparaît à la surface externe de la pièce sous forme d'une frontière superficielle séparant la garniture 520 du support 510. Extérieurement et de façon unidimensionnelle, la frontière superficielle de la pièce selon l'invention, comporte un arc 521 sensiblement circulaire et deux segments de génératrices G et G'. La frontière est fermée par un autre arc 525 circulaire ou elliptique.

Extérieurement et de façon bidimensionnelle, la garniture abrasive de la pièce selon l'invention, présente une surface formée d'un disque 2 distal contigu à une ceinture 530 cylindrique latérale, la ceinture étant contiguë à un secteur 540 cylindrique latéral.

Selon une particularité du mode de réalisation préféré, il est prévu d'aligner tangentiellement la surface courbe 523 avec les bords G et G' du secteur S5 angulaire de la troncature.

Sur la vue 5b en section droite de la pièce 500, on voit que la valeur de l'épaisseur radiale de la portion latérale 540 a été ajustée à la valeur angulaire S5 du secteur 524 couvert par la portion latérale, de sorte que les extrémités notées G et G' de l'arc 524 circulaire externe sont alignées tangentiellement avec la partie médiane T de l'arc 523 circulaire interne. Ainsi, la corde G-G' qui joint les extrémités du secteur 524 est, de préférence, sensiblement tangente à l'interface 523 séparant la portion latérale du support.

Plus généralement, de façon tridimensionnelle, le plan G-G' contenant les génératrices G et G' qui délimitent les bords du secteur S5 des parois latérales 524 couvert par la garniture abrasive est donc, de préférence, tangent à la surface 523 cylindrique de troncature.

Sous forme trigonométrique consécutivement, le rapport entre le rayon interne et le rayon externe de la portion latérale 540 vaut, de préférence, le cosinus de la moitié de l'angle S5 du secteur 524.

Il a été établi précédemment que l'angle S5 du secteur 524 occupé par la portion latérale 540 peut varier de 100 à 1800 (typiquement de 500 à 1200).

Dans l'hypothèse où la surface 523 est tangente à la corde G-G' du secteur S5 occupé par la portion latérale 540, la valeur de l'épaisseur radiale peut varier entre 1 et 100% de la valeur du rayon de la pièce 500. Typiquement, la valeur de l'épaisseur radiale varie entre 10 et 50% de la valeur du rayon.

Par exemple, pour une portion latérale couvrant un secteur angulaire de 100 , l'épaisseur radiale de la garniture abrasive doit atteindre 36% du rayon de la pièce 500 pour que la surface 523 d'interface soit tangente au plan G-G' précité.

En effet, l'usure d'une pièce de coupe provoque généralement la formation d'un bord ou chanfrein sensiblement droit et, de façon avantageuse, un tel alignement tangentiel de la surface 523 courbe avec les extrémités G et G' du secteur S5 permet d'éviter que l'usure atteigne une partie avancée du substrat et optimise la répartition du diamant.

Une alternative avantageuse prévoit en outre, de relier la première surface 521, la deuxième surface 523 et éventuellement les troisièmes surfaces 525, 526, 527, par des portions de surfaces arrondies 522, 526, 527, 528, comme illustré en trait tireté sur les figures 5a, 5b et 5c. De telles portions de surfaces arrondies évitent la constitution d'une arête à la jonction des surfaces droites 521, 523, 525, 526, 527 de l'interface, ce qui renforce avantageusement la cohésion de la garniture 520 sur le support 510. Un autre avantage de telles portions de surfaces arrondies est l'optimisation de la répartition du diamant dans la pièce de coupe 500 selon l'invention.

En effet, la portion de surface arrondie 522 augmente la distance et le volume remplis de matériau abrasif qui séparent l'arête E de coupe du support 510.

De même, les portions de surface arrondies 526, 527 et 528 diminuent les volumes de matériau abrasif situés dans des angles morts et qui risquent de ne pas être atteints par l'usure.

Les figures 6, 7 et 8 illustrent un support 100 en cours de réalisation. Selon le mode de réalisation préféré, et les alternatives avantageuses, le support 100 est tronqué par des surfaces 126, 123 et 127 à courbure régulière, qui sont perpendiculaires aux parois 124 du support 100 tout en présentant l'alignement tangentiel T de la deuxième surface 123 et des bords G et G' de la partie tronquée. La directrice 124, 126, 123 et 127 de la partie tronquée suit schématiquement le dessin d'une bouche. Enfin, le fond 125 de la troncature est complètement arrondi.

L'interface 121 séparant le sommet du support de la portion distale peut avantageusement être creusée de sillons afin de renforcer la cohésion de la pièce.

D'autres modes de réalisations et variantes peuvent être mis en oeuvre par l'homme du métier.

Dans la présente description, il est ainsi fait état de pièces cylindriques de révolution. Cependant, il apparaîtra à l'homme du métier que l'invention peut être mise en oeuvre sur des pièces cylindriques obliques ou encore sur des pièces cylindriques à base carrée ou polygonale.

De plus les portions distales et latérales ne sont pas forcément des cylindres droit mais peuvent être formées de cylindres tronqués. Par exemple la surface 21 de base de la portion distale 30 peut ne pas être parallèle à la face 2 distale de la pièce, formant ainsi un cylindre tronqué à face et sommet nonparallèles.

Plus généralement, on peut prévoir que la pièce elle-même n'est pas cylindrique, mais que la portion latérale forme une excroissance le long de parois latérales d'un support cylindrique.

En particulier, la pièce peut être biseauté en fin ou en cours de réalisation si bien qu'elle présente des parois non-parallèles. Dans ce cas, la portion latérale présente aussi des surfaces latérales non-parallèles.

La portion latérale peut cependant dans ce cas être considéré comme un cylindre tronqué.

D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention, telle que définie dans les revendications ci-après.

Claims (20)

1. REVENDICATIONS 1. Pièce de coupe (0) destinée à un outil de forage (f), la pièce étant composée d'un support (10), de préférence en carbure de tungstène, revêtu d'une garniture (20) abrasive, de préférence en diamant polycristallin, le support (10) ayant une base (11) cylindrique et un sommet (12) cylindrique, la garniture (20) comportant une portion (30) distale cylindrique prolongée continûment par une portion (40) latérale, la portion (30) distale cylindrique recouvrant ledit sommet (12), la portion latérale (40) s'étendant le long de parois (4, 24) latérales de la pièce (0) vers la base (11) du support, caractérisée en ce que la portion (40) latérale forme essentiellement un cylindre à base non-circulaire et couvre un secteur (S1) entier des parois latérales de la pièce.
2. 2. Pièce de coupe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la portion latérale forme essentiellement un cylindre tronqué.
3. 3. Pièce de coupe selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les parois latérales sont finalement biseautées.
4. 4. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, la pièce (0) étant un cylindre de révolution, la portion (30) distale est un cylindre droit à base circulaire, la portion (40) latérale étant un cylindre droit à base non-circulaire, la pièce cylindrique et les portions distales et latérales ayant un même axe (A-A') de génératrices.
5. 5. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, la pièce (0) étant cylindrique suivant un axe (A-A') de génératrices, la portion (30) distale de garniture abrasive a une épaisseur axiale sensiblement constante.
6. 6. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que, la pièce (0) étant circulaire, la portion (40) latérale de garniture abrasive a une épaisseur radiale sensiblement constante le long d'une génératrice (G, 24).
7. 7. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la pièce (500) étant circulaire, la portion (540) latérale de garniture abrasive a une épaisseur radiale sensiblement constante dans le secteur (S5) couvert en entier.
8. 8. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la portion (540) latérale forme essentiellement un secteur tubulaire.
9. 9. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la portion (40) latérale couvre les parois latérales de la pièce sur un secteur (S1,

   S2, S3, S4, S5, S6) angulaire d'environ 30 degrés à environ 180 degrés.
10. 10. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la portion latérale (540) couvre un secteur (524, 124) angulaire (S5,S6) tel qu'une corde (G-G') joignant les extrémités du secteur est sensiblement tangente (T) à une interface (523, 123) séparant le support (510, 100) et la portion latérale.
11. 11. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la base de la portion latérale (240) forme sensiblement un secteur (S2) angulaire.
12. 12. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la base de la portion latérale (340) forme sensiblement un segment (S3) circulaire.
13. 13. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la base de la portion latérale (440) forme sensiblement un croissant (54).
14. 14. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la base de la portion latérale (540) forme sensiblement un secteur (S5) de couronne.
15. 15. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que le support (10) et la garniture (20) étant séparés par une interface (21, 23, 25), l'interface présente au moins une arête (22) arrondie.
16. 16. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisée en ce que le support (10) et la garniture (20) sont séparés par une interface comportant une première et une deuxième surfaces (21, 23) contiguës, la première surface (21) s'étendant sensiblement transversalement à la pièce, la deuxième surface (23) s'étendant sensiblement longitudinalement à la pièce.
17. 17. Pièce de coupe selon la revendication 16, caractérisée en ce que l'interface comporte au moins une troisième surface (25) contiguë à la deuxième surface (23), la troisième surface (25) s'étendant sensiblement radialement à la pièce.
18. 18. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que la garniture (20) abrasive de la pièce (0) présente une surface externe formée d'un disque (2) distal contigu à une ceinture (30) cylindrique latérale contigüe à un secteur (40, S1) cylindrique latéral.
19. 19. Pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisée en ce que, la pièce présentant extérieurement une frontière superficielle séparant la garniture (20) du support (10), la frontière comporte un arc (21) sensiblement circulaire et deux segments (23, G, G') de génératrices de la pièce.
20. 20. Outil de forage (f), notamment de forage pétrolier, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pièce de coupe selon l'une des revendications 1 à 19.