FR2941739A1 - Outil de forage a matrice a doubles compositions de surface et procedes de fabrication - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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Abstract
Les outils de forage à matrice et autres outils de fond de trou peuvent être formés avec une ou plusieurs couches de matériaux durs disposées sur leurs parties extérieures. Les parties extérieures des outils de forage rotatifs ou autres outils de fond de trou peuvent être mesurées à l'aide de techniques de balayage en trois dimensions (3D) ou d'autres techniques permettant de déterminer les emplacements spécifiques d'une abrasion, d'une érosion et/ou d'une usure indésirables. Lors de la conception d'un nouvel outil de forage rotatif ou autre outil de fond de trou, des techniques d'analyse numérique de l'écoulement peuvent être utilisées pour déterminer les emplacements potentiels d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue sur les parties extérieures de l'outil de forage rotatif ou d'autres outils de fond de trou. Une ou plusieurs couches (101-105) de matériau dur peuvent être disposées à de tels emplacements sur les parties extérieures des corps d'outils à matrice (50) et autres corps à matrice sur la base d'une analyse des parties extérieures des outils de fond de trou usagés et/ou d'une analyse numérique de l'écoulement.
Description
OUTIL DE FORAGE À MATRICE À DOUBLES COMPOSITIONS DE SURFACE ET PROCÉDÉS DE FABRICATION DEMANDE CONNEXE La présente demande revendique le bénéfice de la demande provisoire américaine portant le N° de série 61/148 665 et intitulée "Matrix Drill Bit With Dual Surface Compositions and Methods of Manufacture" déposée le 30 janvier 2009. DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne, de façon générale, les outils de forage à matrice et autres outils de puits dotés de corps de matrice comportant une ou plusieurs couches de matériau dur disposées à des emplacements sélectionnés de leurs parties extérieures et, plus particulièrement, la formation d'une ou plusieurs couches de matériau dur à des emplacements sélectionnés lors de la fabrication d'un corps de matrice ou l'application d'une ou plusieurs couches de matériau dur à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures d'un corps de matrice usagé. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Pour le forage des puits de pétrole et de gaz, des puits géothermiques et des puits artésiens, on utilise fréquemment des outils de forage rotatifs. Les outils de forage rotatifs se classent généralement dans la catégorie des outils de forage à cônes rotatifs ou à molettes coniques et dans celles des outils de forage à couteaux fixes ou des outils à lames. Les outils de forage à couteaux fixes ou les outils à lames peuvent être formés avec un corps d'outil à matrice comportant des éléments ou plaquettes de coupe disposés à des emplacements sélectionnés des parties extérieures du corps d'outil à matrice. Des passages d'écoulement de fluide sont généralement formés dans le corps d'outil à matrice pour permettre la transmission des fluides de forage provenant de matériel de forage de surface associé, par l'intermédiaire d'un train de tiges ou d'un tuyau de forage fixés au corps d'outil à matrice. Ces outils de forage à couteaux fixes ou outils à lames sont parfois appelés "outils de forage à matrice."
Pour fabriquer un outil de forage à matrice, on place généralement un matériau de matrice en vrac (parfois appelé "poudre de matrice") dans un moule et on infiltre ce matériau de matrice avec un liant liquide chaud, par exemple un alliage de cuivre. On peut fabriquer le moule au moyen de diverses techniques consistant, entre autres, à meuler un bloc d'un matériau tel que le graphite pour définir une cavité de moule dont les caractéristiques correspondent globalement aux caractéristiques souhaitées de l'outil de forage à matrice final. Les différentes caractéristiques de l'outil de forage à matrice final, telles que les lames, les poches de coupe et/ou les passages d'écoulement de fluide peuvent s'obtenir en façonnant la cavité de moule, en plaçant une ou plusieurs pièces rapportées de moule à l'intérieur de la cavité de moule et/ou en plaçant des matériaux de déplacement à l'intérieur de la cavité de moule. L'usinage de matériaux durs, résistant à l'abrasion, à l'érosion et/ou à l'usure étant généralement une opération à la fois difficile et onéreuse, une pratique courante consiste à former certaines pièces métalliques selon une configuration souhaitée et à traiter ensuite une ou plusieurs parties de ces dernières afin de leur conférer le niveau souhaité de résistance à l'abrasion, à l'érosion et/ou à l'usure. Comme exemples, on peut citer le durcissement direct (par cémentation et/ou nitruration) d'une ou plusieurs surfaces d'une pièce métallique ou l'application d'une couche de matériau dur, résistant à l'abrasion, à l'érosion et/ou à l'usure (rechargement) sur une ou plusieurs surfaces d'une pièce métallique en fonction du degré de résistance à l'abrasion, à l'érosion et/ou à l'usure souhaité pour ces surfaces. Pour des applications qui nécessitent une résistance à des niveaux extrêmes d'abrasion, d'érosion et/ou d'usure de la surface de travail et/ou du substrat associé, on peut appliquer une couche de matériau dur, résistant à l'abrasion, à l'érosion et/ou à l'usure (rechargement) sur la surface de travail pour protéger le substrat associé. L'application d'un rechargement sur un matériau de matrice tel qu'un corps d'outil à matrice est souvent plus difficile et complexe au plan technique que l'application de ce même rechargement sur une surface métallique généralement uniforme et sans matrice. Le rechargement se définit généralement comme l'application d'une couche de matériau dur et résistant à l'abrasion sur une surface ou un substrat de moindre résistance par placage, soudage, pulvérisation ou d'autres techniques de dépôt bien connues. Le rechargement s'utilise fréquemment pour prolonger la durée de vie des outils de forage et autres outils de fond utilisés dans l'industrie pétrolière et gazière. Le carbure de tungstène ainsi que divers alliages de carbure de tungstène sont des exemples des matériaux de rechargement couramment utilisés pour protéger les outils de forage et autres outils de fond de trou associés au forage et à l'exploitation de puits de pétrole et de gaz.
Un grand nombre de matériaux durs sont appliqués sur les parties extérieures des outils de forage rotatifs et autres outils de fond de trou. Les matériaux durs fréquemment utilisés comprennent, entre autres, des particules de carbure de tungstène frittées dans un dépôt de matrice à alliage d'acier. Ces particules de carbure de tungstène peuvent contenir des grains de carbure de monotungstène, de carbure de ditungstène et/ou de carbure de tungstène macrocristallin. Le carbure de tungstène fondu sphérique est généralement formé sans liant. Comme exemples de liants utilisés pour former les particules de carbure de tungstène on peut citer, entre autres, le cobalt, le nickel, le bore, le molybdène, le niobium, le chrome, le fer et les alliages de ces éléments. RÉSUMÉ DE L'INVENTION La présente invention fournit des corps d'outils à matrice pour outils de forage rotatifs ou des corps de matrice pour autres outils de fond de trou, comportant une ou plusieurs couches de matériau dur disposées à des emplacements sélectionnés pour procurer une résistance aux forces d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue sensiblement meilleure que celle des corps de matrice antérieurs dépourvus de ces couches de matériau dur.
Selon les enseignements de la présente invention, ces couches de matériau dur peuvent comprendre des particules de carbure de tungstène, formées avec une quantité optimale d'un matériau liant, et des particules d'autres matériaux ultra-abrasifs et/ou ultra-durs. Comme exemples de ces matériaux durs aptes à être utilisés avec la présente invention, on peut citer, entre autres, les particules de diamant incrustées, les particules de diamant enrobées, le nitrure de silicium (Si3N4), le carbure de silicium (SiC), le carbure de bore (B4C) et le nitrure de bore cubique (CBN). Ces matériaux durs peuvent également servir à reconstituer des parties extérieures d'outils de forage usagés (parfois dénommés "outils de forage émoussés") selon les enseignements de la présente invention. Une ou plusieurs couches de matériau dur peuvent être disposées à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures d'un corps d'outil à matrice associé à un outil de forage à matrice ou à des emplacements sélectionnés d'autres outils de fond de trou selon les enseignements de la présente invention, pendant le moulage du corps de matrice associé et/ou après le moulage du corps de matrice associé. Le corps de matrice obtenu peut être décrit comme comportant une partie extérieure à double phase ou une double composition de surface.
Un aspect de la présente invention peut consister à placer une ou plusieurs couches d'un ou plusieurs matériaux durs à des emplacements sélectionnés d'un moule correspondant généralement à des emplacements sélectionnés respectifs sur la partie extérieure de lames, de poches de coupe, de fentes à rebuts et/ou de tout autre élément d'un corps d'outil à matrice associé. On peut disposer une ébauche d'outil creuse préformée ou un mandrin de coulée dans le moule. On peut ajouter un ou plusieurs matériaux de matrice au moule. On peut sélectionner ces matériaux de matrice pour former un corps d'outil à matrice dur. On peut également ajouter un matériau liant au moule. Pendant le chauffage du moule, le matériau liant liquide peut s'écouler à travers les matériaux de matrice et l'une ou plusieurs couches du matériau dur. La ou les couches de matériau dur peuvent procurer une amélioration souhaitée de la résistance aux forces d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue à des emplacements sélectionnés respectifs sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice. Dans certaines applications, on peut disposer une couche composite de matériau dur à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures d'un corps d'outil à matrice selon les enseignements de la présente invention. Chaque couche composite de matériau dur peut comprendre deux, trois ou plusieurs couches plus petites (plus minces) ou sous-couches de matériau dur. Chaque sous-couche de matériau dur peut comprendre une pluralité de grosses particules dures comprenant, entre autres, des matériaux frittés faiblement alliés se présentant sous forme de pastilles et/ou un matériau fritté faiblement allié se présentant sous forme de poudre concassée. On peut également utiliser d'autres formes de matériau fritté faiblement allié pour améliorer les performances de forage de fond de trou et/ou la durée de vie de l'outil de forage à matrice associé. Dans certaines applications, on peut employer un pourcentage faible de matériau liant (4 % plus ou moins 1 % de liant à base de Co, Ni, B, Mo, Cr ou Se ou une combinaison quelconque de ceux-ci) pour lier les grains de carbure de tungstène fins, afin de former des particules ou des pastilles de carbure de tungstène généralement sphériques. L'utilisation de ces particules ou pastilles peut procurer une teneur en carbure, à un ou plusieurs emplacements sélectionnés sur les parties extérieures d'un corps de matrice associé, sensiblement meilleure que celle des matériaux durs comportant de vingt à trente pour cent (20 % à 30 %) de liant. Dans certaines applications, il est possible d'augmenter sensiblement la taille des particules ou des pastilles de carbure de tungstène obtenues, de sorte qu'il suffit d'une seule couche du second matériau dur pour procurer une résistance satisfaisante aux forces d'érosion, d'abrasion, de choc et/ou de fatigue à un emplacement sélectionné. Pour réparer un outil de forage à matrice usagé, on peut former une ou plusieurs couches de matériau dur à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures d'un corps d'outil à matrice associé. Dans certaines applications, la ou les couches du matériau fritté faiblement allié peuvent également comprendre des matériaux de matrice utilisés pour former un corps d'outil à matrice associé. On peut utiliser divers procédés de liaison comprenant, entre autres, le frittage et/ou le frittage avec pressage isostatique à chaud pour former des particules ou des pastilles de carbure de tungstène sphériques dans un four de frittage. Dans certaines applications, on peut associer une pastille de carbure de tungstène frittée à des matériaux de matrice classiques pour former un outil de forage à matrice. Ces matériaux peuvent servir à reconstituer un corps d'outil à matrice selon les enseignements de la présente invention. Différentes techniques peuvent être employées de manière satisfaisante pour déterminer le ou les emplacements sur lesquels former une ou plusieurs couches de matériau dur sur des parties extérieures d'un corps de matrice associé. Par exemple, associer une simulation d'un écoulement de fluide sur les parties extérieures d'un outil de forage à matrice ou d'un autre outil de fond de trou comportant un corps de matrice et une analyse des schémas d'usure sur les parties extérieures d'un outil de forage à matrice et/ou d'autres outils de fond de trou associés peut permettre d'identifier un ou plusieurs emplacements pour la formation de ces couches de matériau dur. On peut également utiliser le balayage en trois dimensions (3D) des outils de forage usagés, le contrôle visuel ou d'autres techniques pour sélectionner les emplacements sur lesquels former une ou plusieurs couches de matériau dur dotées d'une résistance accrue à l'érosion, à l'usure, à l'abrasion, aux chocs et/ou à la fatigue sur des parties extérieures d'un corps d'outil à matrice pendant la fabrication d'un outil de forage à matrice associé.
Pour former une ou plusieurs couches de matériau dur à des emplacements sélectionnés d'un corps de matrice selon les enseignements de la présente invention, on peut utiliser, entre autres, des matériaux de matrice comprenant des carbures de tungstène cémentés, du carbure de tungstène macrocristallin, du carbure fondu de tungstène, du titane, du tantale, du niobium, du chrome, du vanadium, du molybdène, du hafnium séparément ou associés, et/ou des carbures sphériques. Toutefois, la présente invention ne se limite pas aux carbures de tungstène cémentés, aux carbures sphériques, au carbure de tungstène macrocristallin et/ou aux carbures de tungstène fondus ou leurs mélanges. Dans certains modes de réalisation, on peut disposer une ou plusieurs couches de matériau dur sur des parties extérieures d'un corps de matrice, au moins une couche comportant à la fois des particules ou des pastilles de gros calibre et des particules ou des pastilles de petit calibre. Le rapport des grosses pastilles aux petites pastilles peut varier d'environ une à une, soit cinquante pour cent de grosses pastilles et cinquante pour cent de petites pastilles, à environ trois (3) grosses pastilles pour une petite pastille (3 à 1) ou soixante-quinze pour cent (75 %) de grosses pastilles et vingt-cinq pour cent (25 %) de petites pastilles. Le calibre type d'une petite pastille de matériau dur peut aller d'environ 850 m (20 mesh) à 600 m (30 mesh). Le calibre type d'une grosse pastille de matériau dur peut aller d'environ 1 180 m (16 mesh) à 850 m (20 mesh). D'autres caractéristiques, étapes ou avantages techniques de la présente invention peuvent être présentés dans la description détaillée et/ou dans les revendications. Le résumé ci-dessus n'a pas pour objectif de recenser de façon exhaustive la totalité des caractéristiques, étapes ou avantages techniques de la présente invention.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Pour une meilleure compréhension de la présente invention et de ses avantages, il convient de se reporter aux brèves descriptions ci-après, associées à la description détaillée et aux dessins d'accompagnement, donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels les mêmes repères numériques désignent les mêmes pièces et sur lesquels : la figure 1 est un schéma représentant une vue isométrique d'un exemple d'outil de forage à matrice ayant un corps d'outil à matrice doté d'une ou plusieurs couches de matériau dur disposées à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice ; la figure 2A est un schéma en coupe avec des parties éclatées, qui représente un 30 ensemble moule permettant de former un corps de matrice selon les enseignements de la présente invention ; la figure 2B est un schéma représentant plusieurs couches de matériau dur ou une couche composite de matériau dur qui peut être disposée à un ou plusieurs emplacements sur des parties intérieures du moule illustré sur la figure 2A ; la figure 2C est un schéma en coupe avec des parties éclatées, qui représente une seule 5 couche de matériau dur pouvant être disposée à un ou plusieurs emplacements sur des parties intérieures du moule illustré sur la figure 2A ; la figure 3A est un schéma en élévation avec des parties éclatées, qui représente une baguette de soudage dans laquelle sont disposés des matériaux durs selon les enseignements de la présente invention ; 10 la figure 3B est un schéma agrandi en coupe avec des parties éclatées, qui représente des pastilles de carbure de tungstène et d'autres matériaux durs disposée dans la baguette de soudage de la figure 3A ; la figure 3C est un schéma agrandi en coupe avec des parties éclatées, qui représente des pastilles de carbure de tungstène formées avec un pourcentage en poids optimal de 15 matériau liant et liées à un dépôt de matrice déposé sur un substrat ou un corps de matrice et lié à ce dernier selon les enseignements de la présente invention ; la figure 4A est un schéma en élévation avec des parties éclatées, qui représente une baguette de soudage dans laquelle sont disposés des matériaux durs selon les enseignements de la présente invention ; 20 la figure 4B est un schéma agrandi en élévation et en coupe avec des parties éclatées, qui représente des pastilles de carbure de tungstène, des particules de diamant incrustées et d'autres matériaux durs disposés dans la baguette de soudage de la figure 4A ; la figure 4C est un schéma agrandi en coupe avec des parties éclatées, qui représente des pastilles de carbure de tungstène formées avec un pourcentage en poids optimal de 25 matériau liant, ainsi que des particules de diamant incrustées et liées à un dépôt de matrice disposé sur un substrat ou un corps de matrice et lié à ce dernier selon les enseignements de la présente invention ; la figure 5 est un schéma en coupe avec des parties éclatées, qui représente un ensemble moule dans lequel des pièces rapportées de moule, des matériaux de matrice et 30 d'autres matériaux sont disposés de manière à permettre la formation d'un corps d'outil à matrice selon les enseignements de la présente invention ; et la figure 6 est un schéma en coupe avec des parties éclatées, qui représente un corps d'outil à matrice sur les parties extérieures duquel sont formés des évidements selon les enseignements de la présente invention. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION Les modes de réalisation préférés et divers avantages ressortiront plus clairement à l'examen détaillé des figures 1 à 6 des dessins, sur lesquelles les mêmes repères numériques désignent les mêmes pièces. Dans la présente demande, les termes "outil à matrice" "outil de forage à matrice" et "outil de forage rotatif à matrice" peuvent être utilisés pour désigner des "outils à lames rotatifs", des "outils à lames", des "outils de forage à couteaux fixes" ou tout autre outil de forage intégrant les enseignements de la présente invention. Ces outils de forage peuvent être utilisés pour le forage de puits ou de trous de forage dans des formations souterraines. Un outil de forage à matrice intégrant les enseignements de la présente invention peut comprendre un corps d'outil à matrice formé par un ou plusieurs matériaux de matrice. Dans d'autres modes de réalisation (non expressément représentés), un corps d'outil à matrice peut être formé avec au moins un premier matériau de matrice et un second matériau de matrice. Dans certaines applications, le premier matériau de matrice peut avoir une ténacité accrue ou une résistance élevée à la fracture et présenter également une résistance à l'érosion, à l'abrasion et à l'usure. Le second matériau de matrice (non expressément représenté), qui ne comporte qu'une quantité limitée de matériaux alliés ou autres contaminats, peut également être utilisé pour former le corps d'outil à matrice. Le premier matériau de matrice peut comprendre, entre autres, les carbures cémentés ou les carbures sphériques. Le second matériau de matrice peut comprendre, entre autres, les carbures de tungstène macrocristallins et/ou les carbures fondus. Une ou plusieurs couches de matériau dur peut être disposée à des emplacements sélectionnés d'un corps de matrice formé à partir de matériaux de matrice selon les enseignements de la présente invention. Pour l'infiltration des matériaux de matrice disposés dans un moule pour former un corps d'outil à matrice, on peut utiliser différents types de matériaux liants. Les matériaux liants peuvent comprendre, entre autres, le cuivre (Cu), le nickel (Ni), le cobalt (Co), le fer (Fe), le molybdène (Mo), individuellement ou sous forme d'alliages à base de ces métaux. Les éléments d'alliage peuvent comprendre, entre autres, un ou plusieurs des éléments suivants ù le manganèse (Mn), le nickel (Ni), l'étain (Sn), le zinc (Zn), le silicium (Si), le molybdène (Mo), le tungstène (W), le bore (B) et le phosphore (P). Le corps d'outil à matrice peut être fixé à une ébauche d'outil creuse ou à un mandrin de coulée. A l'ébauche d'outil creuse ou au mandrin de coulée peut être fixée une tige généralement creuse ou un joint de tige creux doté d'un raccord fileté et destiné à mettre en prise de façon amovible l'outil de forage à matrice associé et un train de tiges, un tube de forage, un assemblage de fond de trou ou un moteur de forage de fond de trou (non expressément représentés). Les termes "carbure cémenté" et "carbures cémentés" peuvent être employés, dans la présente demande, pour inclure WC, MoC, TiC, TaC, NbC, Cr3C2, VC et des solutions solides de mélanges de carbures telles que WC-TiC, WC-TiC-TaC, WC-TiC-(Ta,Nb)C dans une phase de liant métallique (matrice). En général, on peut utiliser Co, Ni, Fe, Mo et/ou leurs alliages pour former le liant métallique. Les carbures cémentés sont parfois appelés carbures "mixtes" ou carbures frittés. Certains carbures cémentés peuvent également être appelés carbures sphériques. Toutefois, les carbures cémentés peuvent présenter de nombreuses configurations et formes autres que sphériques.
Un carbure cémenté peut généralement être décrit comme étant un carbure réfractaire en poudre qui a été uni par compression et par chaleur avec un matériau liant tel qu'une poudre de cobalt, de fer, de nickel, de molybdène et/ou leurs alliages. Les carbures cémentés peuvent également être frittés, concassés, criblés et/ou soumis à d'autres traitements, comme cela est approprié. On peut utiliser des pastilles de carbure cémenté pour former un corps d'outil à matrice. Le matériau liant peut apporter de la ductilité et de la ténacité, ce qui engendre souvent une résistance à la fracture (ténacité) des pastilles, des sphères ou des autres configurations de carbure cémenté, supérieure à celle des carbures fondus, du carbure de tungstène macrocristallin et/ou de leurs formulations. Dans la présente demande, on appelle parfois "matériaux de liaison" les matériaux liants employés pour la formation des carbures cémentés, pour permettre d'établir une distinction entre les matériaux liants utilisés pour former des carbures cémentés et les matériaux liants utilisés pour former un outil de forage à matrice. Dans la présente demande, les termes "dynamique des fluides numériques" et/ou "CFD" (en anglais, Computation Fluid Dynamics) peuvent être utilisés pour inclure divers programmes et algorithmes informatiques du commerce employés pour simuler et évaluer des interactions fluidiques complexes. Ces simulations peuvent comprendre le calcul des transferts de masse, des turbulences, des variations de vitesse et d'autres caractéristiques liées aux écoulements de fluides complexes et multiphasiques associés à l'outil de forage à matrice formant un puits de forage. Ces fluides correspondent souvent à un mélange de liquides, de solides et/ou de gaz, avec des concentrations variables qui sont liées aux conditions de forage de fond de trou. On peut utiliser des simulations à base de programmes de CFD pour déterminer les meilleurs emplacements pour former une ou plusieurs couches de matériau dur sur les parties extérieures d'un corps de matrice, en se basant sur l'écoulement de fluide prévu pour le type et/ou la taille de la pompe utilisée sur une plateforme de forage associée (non expressément représentée), la taille du train de tiges associé (non expressément représenté), la taille et la configuration d'un outil de forage à matrice ou autre outil de fond de trou associé et/ou les conditions prévues de forage de fond de trou. Le terme "balayage numérique" peut être employé pour décrire une gamme étendue de matériel et de techniques permettant de mesurer les dimensions extérieures d'un outil de forage à matrice et d'autres outils de fond de trou avec un degré de précision extrêmement élevé et de créer une image tridimensionnelle des parties extérieures de ces outils de puits.
Les résultats du balayage numérique peuvent être utilisés avec d'autres programmes informatiques, notamment des programmes de "dynamique des fluides numérique" ou CFD, pour évaluer les caractéristiques d'écoulement des fluides sur les parties extérieures des outils de forage à matrice et autres outils de fond de trou. Certains exemples de matériel et de techniques de balayage numérique sont présentés dans la demande de brevet U.S. en coinstance portant le numéro de série 60/992 392, déposée le 5 décembre 2007 et intitulée "Method and Apparatus to Improve Design, Manufacture, Performance and/or Use of Weil Tools" qui correspond à la demande WO-A-2009/073495. Des programmes de CFD sont disponibles auprès de divers fournisseurs. Comme exemple de programme CFD pouvant être utilisé de façon satisfaisante avec la présente invention, on peut citer le programme FLUENT, commercialisé par la société ANSYS basée à Canonsburg, dans l'état de Pennsylvanie, aux Etats-Unis. Pour la conception des lames, des éléments de coupe, des trajets d'écoulement de fluide et/ou des outils de forage rotatifs associés, on peut utiliser divers programmes informatiques et modèles informatiques. Des exemples de ces procédés et systèmes pouvant servir à la conception et à l'évaluation des performances des éléments de coupe et des outils de forage rotatifs sont présentés dans la demande de brevet U.S. en coinstance intitulée "Methods and Systems for Designing and/or Selecting Drilling Equipment Using Predictions of Rotary Drill Bit Walk," n° de série 11/462 898, déposée le 7 août 2006 et publiée sous le numéro US-A-2007/0029111 ; dans la demande de brevet U.S. en coinstance intitulée "Methods and Systems of Rotary Drill Bit Steerability Prediction, Rotary Drill Bit Design and Operation," n° de série 11/462 918, déposée le 7 août 2006 et publiée sous le numéro US-A-2007/0029113 et dans la demande de brevet U.S. en coinstance intitulée "Methods and Systems for Design and/or Selection of Drilling Equipment Based on Wellbore Simulations," n° de série 11/462,929, déposée le 7 août 2006 et publiée sous le numéro US-A-2007/0032958. Les termes "doubles compositions de surface", "double composition extérieure", "surface à double phase" et/ou "extérieur à double phase" peuvent être employés pour décrire un corps de matrice comportant une ou plusieurs couches de matériau dur disposées à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps de matrice. Le corps de matrice peut être formé à partir d'un ou plusieurs matériaux de matrice. Les matériaux durs formant la ou les couches aux emplacements sélectionnés des parties extérieures du corps de matrice peuvent généralement avoir une dureté supérieure à celle des matériaux de matrice utilisés pour former le corps de matrice associé. Le terme "patin de jauge", telle qu'il est utilisé dans la présente demande, peut comprendre une jauge, un segment de jauge ou une partie de jauge disposés sur la partie extérieure d'une lame. Les patins de jauge peuvent souvent venir en contact avec des parties adjacentes d'un trou de forage formé par un outil de forage rotatif associé. Les parties extérieures des lames et/ou des patins de jauge associés peuvent être disposées selon différents angles, positifs ou négatifs, et/ou parallèlement à des parties adjacentes d'un trou de forage rectiligne. Un patin de jauge peut comprendre une ou plusieurs couches de matériau formées selon les enseignements de la présente invention. Un ou plusieurs patins de jauge peuvent être disposés sur une lame. Les termes "dépôt de matrice" et/ou "dépôt de matrice métallique" peuvent désigner une ou plusieurs couches de matériau dur disposées sur des parties extérieures sélectionnées d'un corps de matrice et/ou d'un substrat pour protéger le corps de matrice et/ou le substrat, aux emplacements sélectionnés, contre les forces d'abrasion, d'érosion, d'usure, de choc et/ou de fatigue. Parfois, un dépôt de matrice peut également être appelé "matériau d'alliage métallique" ou "matrice de dépôt". Pour former un dépôt de matrice dans lequel sont dispersés, et auquel sont liés, des matériaux et/ou particules durs et résistants à l'abrasion, on peut utiliser divers liants et/ou matériaux liants tels que le cobalt, le nickel, le cuivre, le fer et leurs alliages. Aux emplacements qui sont sujets à l'érosion et/ou à l'abrasion, on peut employer des alliages à base de nickel qui présentent une ductilité accrue. Différents types de particules et/ou de pastilles de carbure de tungstène ayant une dimension optimale et/ou un pourcentage en poids optimal de liant ou de matériau liant peuvent être inclus dans un dépôt de matrice ou une couche de matériau dur intégrant les enseignements de la présente invention. Une ou plusieurs couches de matériau dur peuvent être formées sur un corps de matrice à partir d'une gamme étendue d'alliages de métaux durs et autres matériaux durs.
Le terme "carbure de tungstène" peut comprendre le carbure de monotungstène (WC), le carbure de ditungstène (W2C), le carbure de tungstène macrocristallin. Les termes "pastille de carbure de tungstène," "pastille WC," "pastilles de carbure de tungstène" et "pastilles WC" peuvent désigner des pépites, des billes et/ou des particules de carbure de tungstène formées avec une dimension et/ou un pourcentage en poids de matériau liant optimaux selon les enseignements de la présente invention. Les termes "liant", "matériau liant" et/ou "matériaux liants" peuvent s'utiliser de façon interchangeable dans la présente demande. la figure 1 est un schéma qui représente un exemple d'un outil de forage à couteaux fixes ou d'un outil de forage à matrice sur la partie extérieure duquel sont disposées une ou plusieurs couches de matériau dur selon les enseignements de la présente invention. L'outil de forage à matrice 20 illustré sur la figure 1 est parfois appelé "outil de forage rotatif," "outil de forage à couteaux fixes " ou "outil à lames". L'outil de forage à matrice 20 peut comprendre un corps d'outil à matrice 50 comportant une pluralité de lames 54 s'étendant radialement à partir de celui-ci. Des trajets respectifs d'écoulement de fluide (parfois appelés "fentes à rebuts") 56 peuvent être disposés entre des lames adjacentes 54. Chaque lame 54 peut comprendre une surface d'attaque 51 et une surface de fuite 52 respectives. La flèche 24 indique le sens général de rotation de l'outil de forage rotatif 20 par rapport à un axe associé de rotation de l'outil de forage (non expressément représenté) pendant la formation d'un trou de forage (non expressément représenté).
La première extrémité, ou extrémité de fond de trou 21 de l'outil de forage à matrice 20 peut comprendre une pluralité d'éléments de coupe 60 conçus pour se mettre en prise avec des matériaux de formation de fond de trou et pour extraire ces matériaux afin de former un trou de forage. Chaque élément de coupe 60 peut être disposé dans une poche respective 62 formée sur la partie extérieure 58 de la lame respective 54. Chaque élément de coupe 60 peut comprendre une surface de coupe respective 64 formée à partir de matériaux durs, qui permet la mise en prise avec des matériaux adjacents de formation de fond de trou (non expressément représentés) et l'extraction ces derniers. Les éléments de coupe 60 peuvent enlever les matériaux de formation du fond et des parois d'un trou de forage (non expressément représenté) par raclage et par évidement pendant la rotation de l'outil de forage à matrice 20. Dans certaines applications, divers types de couteaux à compact de diamant polycristallin (PDC) sont aptes à être utilisés comme éléments de coupe 60. Un outil de forage à matrice ayant des couteaux PDC est parfois appelé "outil PDC". La seconde extrémité 22 de l'outil de forage à matrice 20 peut comprendre une tige ou un joint de tige 30 conçu pour mettre en prise de façon amovible l'outil de forage à matrice 20 avec un train de tiges (non expressément représenté), un assemblage de fond de trou (non expressément représenté) et/ou un moteur de forage de fond de trou (non expressément représenté) pour faire tourner l'outil de forage à matrice 20 pendant la formation d'un trou de forage. La tige 30 et l'ébauche d'outil 36 associée peuvent être décrites comme présentant respectivement une configuration cylindrique généralement creuse définie en partie par un passage d'écoulement de fluide s'étendant à travers celles-ci. Voir, par exemple, le passage d'écoulement de fluide 32 de la figure 6. Différents types de raccords filetés, par exemple un raccord de tige de forage API (American Petroleum Institute) ou une tige filetée 34 peuvent être formés sur la tige 30 à proximité de la seconde extrémité 22 de l'outil de forage à matrice 20. La tige 30 peut également comprendre des fentes de déblocage de l'outil 35. Différentes techniques peuvent être utilisées pour assurer une mise en prise solide de la tige généralement creuse 30 avec des parties de l'ébauche d'outil 36 s'étendant à partir du corps d'outil à matrice 50. Voir, par exemple, les figures 1 et 6. Par exemple, on peut former une soudure 39 dans une rainure 38 disposée entre la tige 30 et l'ébauche d'outil 36 et s'étendant autour de leur périmètre. Dans certaines applications, chaque lame 54 peut comprendre un évidement respectif 70 formé dans la partie extérieure 58 de chaque lame 54. La position et les dimensions de chaque évidement 70 peuvent être sélectionnées de manière à correspondre généralement à l'emplacement sélectionné pour la formation d'un patin de jauge sur la lame associée 54. Les figures 5 et 6 montrent un exemple des techniques qui peuvent être utilisées de façon satisfaisante pour former un évidement respectif 70 à des emplacements sélectionnés sur la partie extérieure 58 de chaque lame 54. Une ou plusieurs couches de matériau dur peuvent être disposées à l'intérieur de chaque évidement 70 selon les enseignements de la présente invention. Les figures 3A et 3B et les figures 4A et 4B montrent des exemples des baguettes de soudage 71 et 71a qui peuvent être utilisées pour former une ou plusieurs couches de matériau dur dans l'évidement 70 selon les enseignements de la présente invention. Les baguettes de soudage 71 et 71a peuvent également servir à réparer ou à reconstituer un outil de forage à matrice ou un corps de matrice usagé selon les enseignements de la présente invention. Une ou plusieurs ouvertures de buse 66 peuvent être formées sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice 50. Une buse respective 68 peut être disposée dans chaque ouverture de buse 66. Divers types de fluide de forage peuvent être pompés d'un matériel de forage de surface (non expressément représenté), à travers un train de tiges associé (non expressément représenté) fixé au raccord fileté 34 de la tige ou du joint de tige 30, vers un passage d'écoulement de fluide 32 disposé à l'intérieur du corps d'outil à matrice 50. Un ou plusieurs trajets d'écoulement de fluide peuvent être formés dans le corps d'outil à matrice 50 pour transmettre un fluide de forage et/ou d'autres fluides à la buse associée 68.
Voir, par exemple, les passages de fluide 72 et 74 de la figure 6. Dans certains modes de réalisation, une ou plusieurs couches 101 de matériau dur peuvent être disposées sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice 50 à proximité de l'ouverture de buse 66. Voir, par exemple, la figure 1. Une ou plusieurs couches de matériau dur 102 peuvent être disposées sur les parties extérieures d'une ou plusieurs lames 54 à proximité d'une transition ou d'une jonction entre une fente à rebuts adjacente 56 et la surface d'attaque associée 51. Une ou plusieurs couches 103 de matériau dur peuvent être disposées sur la surface de fuite 52 d'une ou plusieurs lames 54. D'une manière similaire, une ou plusieurs couches 104 de matériau dur peuvent être disposées sur la partie extérieure 58 de chaque lame 54 à proximité des poches 62 et/ou des éléments de coupe 60 associés. Une ou plusieurs couches 105 de matériau dur peuvent être disposées sur les parties extérieures de poches sélectionnées 62. Les positions, dimensions et configurations respectives des couches 101, 102, 103, 104 et 105 et des matériaux durs associés sur les outils de forage à matrice neufs et/ou les outils de forage à matrice usagés peuvent être sélectionnées au moyen d'une analyse CFD, d'un balayage numérique, d'un balayage visuel et de techniques de conception d'outil de forage selon les enseignements de la présente invention.
Le brevet U.S. n° 6 296 069 intitulé Bladed Drill Bit with Centrally Distributed Diamond Cutters et le brevet U.S. n° 6 302 224 intitulé Drag-Bit Drilling with Multiaxial Tooth Inserts présentent divers exemples de lames et/ou d'éléments de coupe qui peuvent être utilisés avec un corps d'outil à matrice intégrant les enseignements de la présente invention. L'homme du métier verra qu'il est possible de former un grand nombre d'outils de forage à couteaux fixes, d'outils à lames et autres outils de forage de façon satisfaisante avec un corps d'outil à matrice intégrant les enseignements de la présente invention. La présente invention n'est en aucun cas limitée à l'outil de forage à matrice 20 ni à aucune des caractéristiques spécifiques illustrées sur les figures 1 à 6. Un grand nombre de types de moules peuvent être utilisés de façon satisfaisante pour former un corps d'outil à matrice et l'outil de forage à matrice associé selon les enseignements de la présente invention. L'ensemble moule 200 illustré sur la figure 2A et l'ensemble moule 200a illustré sur la figure 5 ne représentent que deux exemples des ensembles moule aptes à être utilisés dans la formation d'un corps d'outil à matrice intégrant les enseignements de la présente invention. Le brevet U.S. n° 5 373 907 intitulé Method et Apparatus For Manufacturing and Inspecting The Quality Of A Matrix Body Drill Bit fournit des détails supplémentaires concernant les ensembles moule et les corps d'outils à matrice classiques. Les couches 101, 102, 103, 104 et 105 de divers matériaux durs peuvent être placées à l'intérieur de l'ensemble moule 200 à des emplacements 101a, 102a, 103a, 104a et 105a correspondant généralement aux emplacements sélectionnés pour former les couches correspondantes de matériau dur sur les parties extérieures de l'outil de forage à matrice 20. Une ou plusieurs couches 101-105 de matériau dur peuvent être disposées à chaque emplacement selon les enseignements de la présente invention. Dans certaines applications, une couche composite ou plusieurs couches de matériau dur peuvent être disposées à chaque emplacement de l'ensemble moule 200. Voir, par exemple, la figure 2B. Dans d'autres applications, une seule couche de matériau dur peut être disposée à chaque emplacement de l'ensemble moule 200. Voir, par exemple, la figure 2C. Les ensembles moule 200 et 200a illustrés sur les figures 2A, 5 et 6 ne représentent que deux des exemples de moules et/ou d'ensembles moule qui peuvent être utilisés de façon satisfaisante pour former un corps de matrice intégrant les enseignements de la présente invention. Les ensembles moule 200 et 200a peuvent être généralement décrits comme ayant des configurations cylindriques définies en partie par une première extrémité ouverte 201 et une seconde extrémité fermée 202 respectives, entre lesquelles sont disposées des cavités de moule 252 et 252a respectives. Les cavités de moule 252 et 252a peuvent être généralement décrites comme étant les images négatives, ou images inversées, d'un corps d'outil à matrice formé par les ensembles moule respectifs 200 et 200a. Dans certains modes de réalisation, les parties intérieures des cavités de moule 252 et/ou 252a peuvent être revêtues d'un poteyage destiné à empêcher que les gaz produits par le chauffage et/ou le refroidissement des ensembles moule associés 200 et 200a ne pénètrent à l'intérieur des matériaux de matrice disposés dans les cavités de moule respectives 252 et 252a. Divers poteyages du commerce donnent des résultats d'utilisation satisfaisants. Les ensembles moule 200 et/ou 200a peuvent également être placés à l'intérieur d'un récipient (non expressément représenté). Les parties intérieures de ces récipients peuvent être conçues pour recevoir les parties extérieures des ensembles moule 200 et/ou 200a. Ces récipients sont parfois appelés "carter", "creuset" et/ou "godet". L'ensemble moule 200 illustré sur la figure 2A peut comprendre une pluralité d'éléments de déplacement ou tiroirs 208 disposés sur les parties intérieures de la cavité de moule 252. La configuration et les dimensions associées à chaque élément de déplacement 208 peuvent être sélectionnées de manière à correspondre généralement aux lames 54 et aux trajets d'écoulement de fluide 56 formés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice 50. Selon le type des matériaux employés pour former l'ensemble moule 200 et/ou les cycles de chauffage et de refroidissement associés à la formation du corps d'outil à matrice 50, un phénomène de dégazage peut se produire. Dans de telles applications, une pluralité de trajets d'écoulement internes (non expressément représentés) peuvent être formés à l'intérieur de l'ensemble moule 200. Ces trajets d'écoulement de fluide peuvent transmettre les gaz associés au chauffage et au refroidissement de l'ensemble moule 200 par l'intermédiaire de canaux d'écoulement de fluide 206 et/ou des parties extérieures de l'ensemble moule 200. La cavité de moule 252 illustrée sur la figure 2A peut être formée avec une pluralité de profils de lame négatifs 210 disposés entre des éléments de déplacement respectifs 208.
Dans certaines applications, l'ensemble moule 200 et les éléments associés peuvent être formés à l'aide d'une imprimante 3D associée à des données de fabrication 3D. Une pluralité d'évidements de poche négatifs ou de profils de poche 262 peuvent être formés à l'intérieur de chaque profil de lame négatif 210. Les évidements de poche négatifs 262 peuvent avoir des configurations et/ou des orientations complexes, comme souhaité pour la poche respective 62 et l'élément de coupe associé 60. Les emplacements 101a à 105a à l'intérieur de l'ensemble moule 200 peuvent être sélectionnés pour correspondre généralement aux emplacements des parties extérieures de l'outil de forage à matrice 20 associé où des forces élevées d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue sont susceptibles de s'exercer. Par exemple, une ou plusieurs couches de matériau dur peuvent être disposées à l'emplacement 101a pour limiter l'érosion provoquée par un fluide s'écoulant de la buse associée 68. Une ou plusieurs couches de matériau dur peuvent être disposées aux emplacements 102a et 103a pour limiter l'abrasion et/ou l'usure associées à un fluide s'écoulant par le trajet d'écoulement ou par la fente à rebuts 56 associés.
Une ou plusieurs couches d'un second matériau dur peuvent être disposées à l'emplacement 104a pour limiter les forces d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue s'exerçant sur les parties extérieures 58 de la lame associée 54 pendant la mise en prise des éléments de coupe associés 60 avec les matériaux de formation de fond de trou adjacents. Une ou plusieurs couches de matériau dur peuvent être disposées à l'emplacement 105a des parties extérieures de la poche associée 62 pour limiter les forces d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue provoquées par l'élément de coupe respectif 60 se mettant en prise avec les matériaux de formation de fond de trou et extrayant ces derniers. Les figures 2B et 2C montrent des exemples de couches de matériaux durs qui peuvent être disposées à un ou plusieurs emplacements 101a-105a selon les enseignements de la présente invention. La figure 2B montre une première couche ou sous-couche 111, une deuxième couche ou sous-couche 112 et une troisième couche ou sous-couche 113 disposées à l'emplacement 101a de l'ensemble moule 200. La configuration obtenue des couches ou sous-couches 111, 112 et 113 peut parfois être appelée "couche composite" 101. Chaque sous-couche 111, 112 et 113 peut avoir à peu près la même configuration et les mêmes dimensions globales, notamment en épaisseur. Chaque couche 111, 112 et 113 peut comprendre une pluralité de grosses pastilles 130 et/ou 140. En outre, une pluralité de petites pastilles et un matériau de matrice 131 servant à former l'outil de forage à matrice 20 associé peuvent également être disposés dans les couches 111, 112 et/ou 113. Dans les modes de réalisation tels que celui représenté sur la figure 2B, la première couche 111 peut commencer par une couche de colle disposée à l'emplacement 10la. Divers types de colle et/ou de matériaux adhésifs comprenant, entre autres, des adhésifs en aérosol tel que l'adhésif universel Super 77 commercialisé par la société 3M basée à st. Paul, dans le Minnesota, peuvent être employés. Les particules dures ou les pastilles dures 130 illustrées sur les figures 2B et 3C et/ou les pastilles dures 140 illustrées sur les figures 4B et 4C peuvent ensuite être distribuées dans la colle de la première couche 111. Le matériau de matrice 131 peut également être distribué dans la première couche 111. Le rapport entre les pastilles dures ou les particules dures et le matériau de matrice peut être sélectionné de manière à obtenir l'uniformité souhaitée de la première couche 111 obtenue ainsi que la dureté souhaitée. Une deuxième couche de colle peut être disposée sur la première couche 110 à l'emplacement 101a. Des pastilles dures supplémentaires 130 et/ou 140 peuvent ensuite être distribuées dans la colle au niveau de la deuxième couche 112. Le matériau de matrice 131 peut être distribué dans la colle au niveau de la deuxième couche 112. Des opérations similaires peuvent être effectuées pour former une troisième couche 113 et des couches supplémentaires de colle, de pastilles dures et/ou de matériau de matrice si nécessaire pour chaque emplacement sélectionné situé sur les parties extérieures de l'outil de forage à matrice 20. Les dimensions et la configuration de chaque couche de colle peuvent être sélectionnées de manière à correspondre aux dimensions et à la configuration souhaitées des couches correspondantes 101-105 de matériau dur disposées à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures de l'outil de forage à matrice 20. Dans certaines applications, l'épaisseur totale du matériau dur disposé aux emplacements respectifs 101a-105a peut être comprise entre environ 6,4 mm (0,25 pouce) et 12,7 mm (0,5 pouce). La figure 2C est un schéma montrant l'unique couche 114 et des matériaux durs qui peuvent être également disposés à l'emplacement 101a ou à tout autre emplacement souhaité de l'ensemble moule 200. La configuration et les dimensions globales de la couche 114 de la figure 2C peuvent être à peu près identiques à celles de la couche composite 101 de la figure 2B. Dans certaines applications, les pastilles 130 et/ou 140 illustrées sur la figure 2C peuvent être plus grosses que les pastilles correspondantes 130 et/ou 140 illustrées sur la figure 2B.
Dans certaines applications, le fait d'augmenter le calibre des pastilles peut permettre de former la couche 114 de la figure 2C en "une seule passe" de matériau adhésif et d'y disperser des matériaux durs en "une seule passe", plutôt que d'avoir une couche composite 101 que l'on va former en utilisant trois couches ou sous-couches de colle séparées 111, 112 et 113 et en distribuant respectivement des matériaux durs dans chaque couche ou sous-couche. Les types de matériaux durs utilisés pour former les couches 111, 112, 113 et 114 peuvent être sélectionnés pour être compatibles avec l'infiltration d'un matériau liant à travers ces dernières pendant l'infiltration des matériaux de matrice 131 et 132 pour former le corps d'outil à matrice 50. Quelques exemples de matériaux durs aptes à être utilisés pour former une ou plusieurs couches de matériau dur disposées sur les parties extérieures d'un outil de forage à matrice selon les enseignements de la présente invention sont présentés sur les figures 3B, 3C, 4B et 4D. Les figures 3C et 4C sont des représentations schématiques de couches respectives de matériau dur disposées sur un matériau de matrice 131 selon les enseignements de la présente invention. A titre d'explication, la surface 122 représentée sur les figures 3C et 4C peut être représentative des surfaces extérieures respectives 122 associées aux couches 101-105 de matériau dur disposées à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures de l'outil de forage à matrice 50. Voir la figure 1. Les surfaces respectives 122 des couches 101-105 peuvent épouser la forme des matériaux de matrice adjacents utilisés pour former le corps d'outil à matrice 50 et être étroitement liées à ces derniers. Les sections transversales d'une couche de matériau dur disposée sur le matériau de matrice telle qu'illustrée sur les figures 3C et 4C peuvent être représentatives d'une ou plusieurs couches de matériau dur disposées dans les évidements 70 pour former un patin de jauge (non expressément représenté) sur les lames respectives 54.
La couche 103 illustrée sur la figure 3C peut comprendre des particules ou des pastilles de carbure de tungstène 130 disposées dans une matrice 146 selon les enseignements de la présente invention. D'autres matériaux durs et/ou particules dures sélectionnés parmi une gamme étendue de métaux, d'alliages de métaux, d'alliage de céramique et/ou de cermets peuvent également être utilisés pour former une ou plusieurs couches 103 de matériau dur.
L'utilisation de particules de carbure de tungstène 130 ayant un pourcentage en poids optimal de matériau liant permet à la couche 103 de présenter une résistance améliorée à l'érosion, à l'abrasion, à l'usure, au choc et/ou à la fatigue par rapport aux parties extérieures du corps d'outil à matrice 50 qui sont dépourvues de ces couches de matériau dur. La couche 104 illustrée sur la figure 4C peut comprendre des particules ou des pastilles de carbure de tungstène 130 et des particules de diamant encapsulées 140, selon les enseignements de la présente invention. D'autres matériaux durs et/ou particules dures sélectionnés parmi une gamme étendue de métaux, d'alliages de métaux, d'alliage de céramique et/ou de cermets peuvent également être utilisés pour former une ou plusieurs couches 104 de matériau dur. L'incorporation d'une association de pastilles de carbure de tungstène 130 et de particules ou de pastilles incrustées de diamant 140 permet à la couche 104 de présenter une résistance améliorée à l'érosion, à l'abrasion, à l'usure, au choc et/ou à la fatigue par rapport aux parties extérieures du corps d'outil à matrice 50 qui sont dépourvues de ces couches de matériau dur. Les figures 3A et 4A montrent des exemples de baguettes de soudage aptes à être utilisées pour former une ou plusieurs couches de matériau dur sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice 50 telles que les évidements respectifs 70 formés sur les lames 54 à la suite de l'extraction du corps d'outil à matrice 50 d'un ensemble moule associé. Les baguettes de soudage 71 et 71a peuvent également être utilisées pour former une ou plusieurs couches de matériau dur afin de réparer un outil de forage à matrice usagé selon les enseignements de la présente invention. Dans certaines applications, on peut chauffer aussi bien les corps d'outil à matrice neufs que les outils de forage à matrice usagés à une température souhaitée, par exemple environ 371 ° C (700°F) et les laisser "tremper" avant de former une ou plusieurs couches de matériau dur sur leurs parties extérieures au moyen des baguettes de soudage 71 ou 71a. La température souhaitée peut varier en fonction des matériaux utilisés pour former un corps d'outil à matrice associé et des particules dures utilisées pour former les couches de matériau dur. Chauffer un corps d'outil à matrice à une température appropriée et relativement uniforme permet de limiter les risques que le corps d'outil à matrice ne se fissure ou ne soit endommagé pendant le soudage. Après avoir disposé une ou plusieurs couches de matériau dur à des emplacements sélectionnés sur le corps d'outil à matrice associé, on peut laisser lentement refroidir le corps d'outil à matrice à une vitesse souhaitée, à température ambiante. La vitesse de refroidissement peut être sélectionnée pour empêcher que le corps d'outil à matrice et/ou les couches de matériau dur ne se fissurent ou ne soient endommagés.
La baguette de soudage 71 illustrée sur les figures 3A et 3B peut être utilisée pour former une couche de matériau dur dotée de caractéristiques similaires à celles de la couche 103 illustrée sur la figure 3C. La baguette de soudage 71a illustrée sur les figures 4A et 4B peut être utilisée pour former une couche de matériau dur dotée de caractéristiques similaires à celles de la couche 104a illustrée sur la figure 4C. Les baguettes de soudage 71 et 71a peuvent comprendre un tube d'acier creux respectif 76 qui peut être fermé à ses deux extrémités par un produit d'apport 78 et ou des particules dures 130 et/ou 140 ou d'autres matériaux durs disposés à l'intérieur de ce dernier. Dans certaines applications, les pastilles de carbure de tungstène peuvent être de configuration généralement sphérique (voir les figures 3C et 4C), avec un pourcentage en poids de liant compris approximativement entre quatre pour cent (4 %) plus ou moins un pour cent (1 %) du poids total de chaque pastille de carbure de tungstène selon les enseignements de la présente invention. Les pastilles de carbure de tungstène peuvent également être formées avec un pourcentage en poids optimal de liant et diverses configurations non sphériques ou partiellement sphériques (non expressément représentés). Dans certaines applications, des pastilles de carbure de tungstène concassées peuvent également être utilisées. Les pastilles de carbure de tungstène sphériques formées sans matériau liant ou comportant sensiblement 0 % de liant peuvent avoir tendance à se fissurer et/ou à se fracturer pendant la formation d'un dépôt de matrice ou d'une couche de rechargement contenant ces pastilles. Les pastilles de carbure de tungstène formées sans matériau liant ou comportant sensiblement 0 % de liant peuvent également se fracturer ou se fissurer lorsqu'elles sont exposées à une contrainte thermique et/ou une contrainte de choc. Les pastilles de carbure de tungstène sphériques formées avec des pourcentages en poids relativement élevés (5 % ou plus) de matériau liant ou de liant peuvent avoir tendance à se décomposer ou à se dissoudre en solution pendant la formation d'un dépôt de matrice ou d'une couche de rechargement associés. Par conséquent, ces pastilles sphériques de carbure de tungstène et le dépôt de matrice ou la couche de rechargement associés peuvent avoir une résistance à l'abrasion, à l'érosion, à l'usure, au choc et/ou à la fatigue inférieure au niveau souhaité. Les pastilles de carbure de tungstène sphériques comportant plus de 5 % de liant sont susceptibles de se fissurer lorsqu'elles sont exposées à une contrainte thermique et/ou à une contrainte de choc. Les pastilles de carbure de tungstène formées avec un pourcentage optimal de matériau liant ou de liant peuvent ne pas se fissurer ni se dissoudre en solution dans le matériau de matrice associé pendant la formation d'une ou plusieurs couches de matériau dur. Les pastilles de carbure de tungstène sphériques formées avec un pourcentage optimal de matériau liant et/ou de liant peuvent ne pas non plus se fissurer ou se fracturer lorsqu'elles sont exposées à une contrainte thermique et/ou à une contrainte de choc. Former des pastilles de carbure de tungstène avec un pourcentage en poids optimal de matériau liant selon les enseignements de la présente invention permet d'améliorer la soudabilité des pastilles de carbure de tungstène et peut améliorer sensiblement la résistance aux contraintes de température et/ou la résistance aux contraintes de choc des pastilles de carbure de tungstène en termes de fracture et/ou de fissuration. Dans certaines applications, des couches de matériau dur formées avec des particules sphériques de carbure de tungstène comportant un pourcentage en poids optimal de liant ont présenté des propriétés améliorées de résistance à l'usure lors des essais réalisés sur les couches et/ou dépôts de matrice associés. Dans certaines applications, l'amélioration des propriétés de résistance à l'usure peut augmenter d'environ quarante-cinq pour cent (45 %) lors des essais d'usure selon la norme ASTM B611, par rapport aux dépôts de matrice ou aux couches de matériau dur ayant des particules de carbure de tungstène sphériques dans lesquelles le matériau liant représente cinq pour cent (5 %) ou plus du poids total de chaque particule de carbure de tungstène.
Les couches de matériau dur peuvent être formées avec des pastilles de carbure de tungstène ayant un pourcentage en poids optimal de matériau liant dans une gamme étendue de calibres. Dans certaines applications, le calibre de ces pastilles de carbure de tungstène peut varier entre environ 1 680 m (12 mesh U.S.) et 149 m (100 mesh U.S.). La possibilité d'utiliser une gamme étendue de calibres permet de diminuer sensiblement les coûts de fabrication de ces pastilles de carbure de tungstène et les coûts associés à la formation d'une matrice de dépôt ou d'un rechargement avec ces pastilles de carbure de tungstène. Par exemple, les pastilles de carbure de tungstène 130 illustrées sur les figures 3C ou 4C peuvent avoir un calibre d'environ 1 680 m (12 mesh U.S.) à 149 m (100 mesh U.S.). En fonction des emplacements sélectionnés pour le dépôt d'une ou plusieurs couches de matériau dur sur un corps d'outil à matrice, les pastilles de carbure de tungstène 130 peuvent être sélectionnées dans une gamme de calibres plus limitée, par exemple de 420 m (40 mesh U.S.) à 177 m (80 mesh U.S.). Dans d'autres applications, les pastilles de carbure de tungstène 130 peuvent être sélectionnées parmi deux ou plusieurs gammes de calibres différentes, par exemple de 590 à 250 m (30 à 60 mesh) et de 177 à 149 m (80 à 100 mesh). Les pastilles de carbure de tungstène 130 peuvent avoir à peu près la même configuration généralement sphérique. Toutefois, l'incorporation de pastilles de carbure de tungstène 130 ou d'autres particules dures ayant des configurations et/ou des gammes de calibre différentes permet de modifier la résistance à l'usure, à l'érosion, à l'abrasion, au choc et/ou à la fatigue des couches de matériau dur obtenues, afin de faire face à des environnements de fonctionnement en fond de trou spécifiques pour un outil de forage à matrice associé. Le fait d'augmenter le calibre des pastilles de carbure de tungstène 130 permet de déposer une seule couche de matériau dur d'une épaisseur optimale à l'intérieur de l'ensemble moule 200 en une seule passe. Dans certaines applications, le calibre optimal pour les pastilles de carbure de tungstène peut aller d'environ 1 190 m (16 mesh) à 590 m (30 mesh). Les pastilles de carbure de tungstène peuvent être formées par cimentation, par frittage et/ou par frittage avec pressage isostatique à chaud (parfois appelé frittage "sinterhip") de fins grains de carbure de tungstène ayant un pourcentage en poids optimal de matériau liant. Les pastilles de carbure de tungstène frittées peuvent être constituée d'un mélange de carbure de tungstène et d'un matériau liant tel que de la poudre de cobalt. Comme autres exemples de matériaux liants, on peut citer, entre autres, le cobalt, le nickel, le bore, le molybdène, le niobium, le chrome, le fer et les alliages de ces éléments. On peut également utiliser divers alliages de ces matériaux liants pour former des pastilles de carbure de tungstène selon les enseignements de la présente invention. Le pourcentage en poids du matériau liant peut être d'environ quatre pour cent (4 %) plus ou moins un pour cent (1 %) du poids total de chaque pastille de carbure de tungstène.
On peut également utiliser un mélange de carbure de tungstène et de matériau liant pour former les pastilles crues. On peut ensuite soumettre ces pastilles crues à un frittage ou un frittage avec pressage isostatique à chaud à des températures proches du point de fusion du cobalt pour former des pastilles de carbure de tungstène frittées ou frittées avec pressage isostatique à chaud avec un pourcentage en poids optimal de matériau liant. Le frittage avec pressage isostatique à chaud est parfois appelé "frittage sous surpression" ou "frittage sinter- hip." Le frittage d'une pastille crue consiste généralement à faire chauffer la pastille crue à une température souhaitée, sous une pression sensiblement atmosphérique, dans un four et sans appliquer de force ou de pression à la pastille crue. Le frittage sinter-HIP d'une pastille crue consiste généralement à faire chauffer la pastille crue à une température souhaitée dans un four sous vide et en appliquant à cette pastille crue une pression ou une force.
Un four sous vide de frittage avec pressage isostatique à chaud (HIP) utilise généralement des pressions supérieures et des températures inférieures à celles d'un four de frittage sous vide classique. Par exemple, un four sous vide sinter-HIP peut fonctionner à environ 1 400°C avec l'application d'une pression ou d'une force d'environ 55,16 bars (800 psi) à une ou plusieurs pastilles de carbure de tungstène chaudes. La construction et l'exploitation des fours sinter-HIP sous vide sont bien connues. Le point de fusion du matériau liant utiliser pour former les pastilles de carbure de tungstène peut généralement diminuer au fur et à mesure que la pression augmente. Les fours associés au frittage et au frittage sinter-HIP sont généralement capables d'assurer une régulation précise de la température pendant la formation des pastilles de carbure de tungstène.
Les couches de matériau dur disposées à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures d'un corps de matrice peuvent comprendre des particules ou des pastilles de carbure de tungstène 130 ayant un pourcentage en poids optimal de matériau liant selon les enseignements de la présente invention. D'autres matériaux durs et/ou particules dures sélectionnés parmi une gamme étendue de métaux, d'alliages de métaux, d'alliage de céramique et/ou de cermets peuvent être utilisés pour former les couches 101-105 de matériau dur. L'utilisation de particules de carbure de tungstène 130 ayant un pourcentage en poids optimal de matériau liant permet aux couches 101-105 de matériau dur d'avoir une résistance à l'abrasion, à l'érosion, à l'usure, au choc et/ou à la fatigue nettement meilleure. Une pluralité de pastilles de carbure de tungstène 130 ayant un pourcentage en poids optimal de matériau liant selon les enseignements de la présente invention peuvent être dispersées dans le produit d'apport 78. Une pluralité de particules de diamant enrobées 140 peuvent également être dispersées dans le produit d'apport 78 de la baguette de soudage 71a. Les particules ou pastilles de carbure de tungstène classiques (non expressément représentées) qui n'ont pas un pourcentage en poids optimal de matériau liant peuvent parfois être inclus dans le produit d'apport 78. Dans certaines applications, le produit d'apport 78 peut comprendre un désoxydant et un liant temporaire à base de résine. Les exemples de désoxydants aptes à être utilisés avec la présente invention peuvent comprendre divers alliages de fer, de manganèse et de silicium. Dans certaines applications, le poids des baguettes de soudage 71 et/ou 71a peut représenter environ cinquante-cinq à quatre-vingts pour cent de produit d'apport 78 et de vingt à trente pour cent ou plus de tube d'acier 76. Les couches de matériau dur formées par des baguettes de soudage comportant moins d'environ cinquante-cinq pour cent en poids de produit d'apport 78 sont susceptibles de ne pas présenter un niveau suffisant de résistance à l'usure. Les baguettes de soudage ayant plus d'environ quatre-vingts pour cent en poids de produit d'apport 78 peuvent être difficiles à utiliser pour former des couches de matériau dur ayant les dimensions souhaitées, notamment en épaisseur, et/ou les configurations souhaitées.
Un matériau en vrac tel qu'une poudre d'un matériau dur sélectionné dans le groupe constitué par le tungstène, le niobium, le vanadium, le molybdène, le silicium, le titane, le tantale, le zirconium, le chrome, l'yttrium, le bore, le carbone et les carbures, les nitrures, les oxydes ou les siliciures de ces matériaux peut être inclus dans le produit d'apport 78. Ce matériau en vrac peut également comprendre un mélange poudreux sélectionné dans le groupe constitué par le cuivre, le nickel, le fer, le cobalt et les alliages de ces éléments pour former le corps d'outil à matrice 50. Des poudres des matériaux sélectionnés dans le groupe constitué par les borures métalliques, les carbures métalliques, les oxydes métalliques, les nitrures métalliques et autres alliages ultra-durs ou ultra-abrasifs peuvent être inclus dans le produit d'apport 78. Les composés et éléments spécifiques sélectionnés pour le produit d'apport 78 vont généralement dépendre des applications prévues pour l'outil de forage à matrice obtenu et de la technique de soudage sélectionnée. Lorsque des pastilles de carbure de tungstène 130 sont mélangées à d'autres particules dures, telles que des particules de diamant enrobées 140, les deux types de particules dures peuvent avoir une masse volumique sensiblement identique. L'un des avantages techniques de la présente invention peut consister à faire varier le pourcentage de matériaux liants associés aux pastilles de carbure de tungstène 130 et donc la masse volumique des pastilles de carbure de tungstène 130 afin d'assurer leur compatibilité avec les particules de diamant enrobées 140 et/ou la partie de matrice 146 des couches 101-105 de matériau dur. Des pastilles de carbure de tungstène 130 avec ou sans les particules de diamant enrobées 140 et des matériaux en vrac sélectionnés peuvent être inclus dans une baguette de soudage continue (non expressément représentée), une baguette de soudage composite (non expressément représentée), un fil à souder (non expressément représenté) et/ou un cordon de soudage (non expressément représenté). Dans certaines applications, on peut utiliser de façon satisfaisante des cordons de rechargement souples pour former une ou plusieurs couches de matériau dur à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures d'un outil de forage à matrice neuf ou d'un outil de forage à matrice usagé (émoussé). Le cordon de soudage ou le cordon de rechargement souple sont disponibles auprès de différents fournisseurs comprenant, entre autres, la société Technogenia, Inc. implantée à Conroe, au Texas et à Atlanta, en Géorgie. Certains cordons de soudage peuvent comprendre un fil de nickel central de petit diamètre revêtu d'une mince couche de particules dures et de matériau de matrice tel qu'illustré sur les figures 3B et 4B.
On peut utiliser de façon satisfaisante des techniques de soudage à l'oxyacétylene, de soudage à l'hydrogène atomique, de soudage TIG-GTA (Tungsten Inert Gas), de soudage à l'arc électrique, de soudage à l'arc électrique avec électrode enrobée (SMAW) et/ou de soudage à l'arc en atmosphère gazeuse (GMAW) pour former des couches de matériau dur à des emplacements sélectionnés sur un outil de forage à matrice usagé ou un corps d'outil à matrice neuf en utilisant des baguettes de soudage, un cordon de soudage etc. Dans certaines applications, on peut préparer un mélange de pastilles de carbure de tungstène 130 et de particules de diamant enrobées 140 et le vaporiser thermiquement sur certaines parties d'un corps de matrice en utilisant des techniques bien connues dans l'art. On peut ensuite utiliser un laser pour densifier et fondre le mélange poudreux obtenu à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps de matrice. Le brevet U.S. n° 4 781 770 intitulé "A process For Laser Rechargement Drill Bit Cones Having Hard Cutter Inserts" présente un procédé apte à être utilisé avec la présente invention. Les couches de matériau dur 103 et 104 illustrées sur la figure 3C et la figure 4C peuvent comprendre une pluralité de particules de carbure de tungstène 130 noyées ou encapsulées dans des parties de matrice 146 et 146a. Pour former les parties de matrice 146 et 146a, on peut employer divers matériaux y compris le cobalt, le cuivre, le nickel, le fer et des alliages de ces éléments. Dans certaines applications, les parties de matrice 146 et 146a peuvent être similaires et aptes à se lier à la partie adjacente de la matrice 131. Les particules de diamant enrobées ou incrustées 140 peuvent être formées au moyen de diverses techniques telles que celles décrites dans le brevet U.S. n° 4 770 907 intitulé "Method for Forming Metal-Coated Abrasive Grain Granules" et le brevet U.S. n° 5 405 573 intitulé "Diamond Pellets and Saw Blade Segments Made Therewith." Les particules de diamant enrobées 140 peuvent comprendre du diamant 144 sur lequel a été disposé un enrobage 142. Les matériaux employés pour former l'enrobage 142 peuvent être compatibles aux plans métallurgique et chimique avec les matériaux utilisés pour former à la fois la partie de matrice 146a et le liant pour les pastilles de carbure de tungstène 130. Dans de nombreuses applications, le ou les matériaux utilisés pour former l'enrobage 142 seront également utilisés pour former la partie de matrice 146a et le corps d'outil à matrice associé. Des liaisons métallurgiques peuvent être formées entre l'enrobage 142 de chaque particule de diamant enrobée 140 et la partie de matrice 146a. Grâce à ces liaisons métallurgiques ou chimiques, les particules de diamant enrobées 140 peuvent rester fixées dans les couches de matériau dur 101-105 jusqu'à ce que les pastilles de carbure de tungstène 130 adjacentes et/ou les autres matériaux durs de la partie de matrice 146a aient été éliminés par usure. Les particules de diamant enrobées 140 peuvent procurer des niveaux élevés de résistance à l'abrasion, à l'érosion et à l'usure pour protéger un corps de matrice associé, par rapport à un rechargement formé uniquement à partir de la partie de matrice 146a et des pastilles de carbure de tungstène 130. Le niveau élevé de résistance à l'abrasion, à l'érosion, à l'usure, au choc et/ou à la fatigue des pastilles de carbure de tungstène 130 et/ou des particules de diamant enrobées 140 nouvellement exposées peut augmenter la résistance globale à l'abrasion, à l'érosion, à l'usure, au choc et/ou à la fatigue des couches de matériau dur 101-105. Au fur et à mesure que la partie de matrice 146a environnante continue de s'user, les pastilles de carbure de tungstène 130 et/ou les particules de diamant enrobées 140 supplémentaires peuvent être exposées pour assurer une protection continue et prolonger la durée de vie utile d'un outil de forage à matrice associé. Des informations complémentaires à propos des particules de diamant enrobées ou incrustées et autres particules dures sont fournies dans le brevet U.S. n° 6 469 278 intitulé "Hardfacing Having Coated Ceramic Particles Or Coated Particles Of Other Hard Materials" ; le brevet U.S. n° 6 170 583 intitulé "Inserts and Compacts Having Coated Or Encrusted Cubic Boron Nitride Particles" ; le brevet U.S. n° 6 138 779 intitulé "Hardfacing Having Coated Ceramic Particles Or Coated Particles Of Other Hard Materials Placed On A Rotary Cone Cutter" et le brevet U.S. n° 6 102 140 intitulé "Inserts and Compacts Having Coated Or Encrusted Diamond Particles." On peut faire varier le rapport entre les particules de diamant enrobées 140 ou les autres particules dures et les pastilles de carbure de tungstène 130 disposées dans les couches de matériau dur 101-105 pour obtenir le niveau souhaité de résistance à l'érosion, à l'abrasion, à l'usure, au choc et à la fatigue pour un corps d'outil à matrice associé, en fonction de l'environnement de fonctionnement prévu en fond de trou. Dans certains environnements extrêmement sévères, le rapport des particules de diamant enrobées 140 aux particules de carbure de tungstène 130 peut être de 10:1. Dans d'autres environnements de forage de fond de trou, ce rapport peut être sensiblement inversé. On peut utiliser le soudage à baguette tubulaire avec un chalumeau oxyacétylène (non représenté) de façon satisfaisante pour former des liaisons métallurgiques entre les couches de matériau dur et les parties adjacentes d'un corps d'outil à matrice 50 et des liaisons métallurgiques et/ou mécaniques entre la partie de matrice 146 et les pastilles de carbure de tungstène 130. Dans d'autres applications, on peut utiliser des techniques de soudage au laser pour former des couches de matériau dur sur les parties extérieures d'un corps de matrice. L'ensemble moule 200a illustré sur la figure 5 peut comprendre plusieurs éléments tels qu'un moule 203a, une bague de jauge ou une bague de liaison 204a, et un entonnoir 220a. Le moule 203a, la bague de jauge 204a et l'entonnoir 220a peuvent être formés dans du graphite ou dans d'autres matériaux adaptés. Diverses techniques peuvent être utilisées et notamment, entre autres, l'usinage d'une ébauche en graphite pour former une cavité de moule 252a ayant un profil négatif ou un profil inverse des caractéristiques extérieures souhaitées pour l'outil de forage à couteaux fixes final. Par exemple, la cavité de moule 204a peut avoir un profil négatif qui correspond au profil ou la configuration extérieure des lames 54 et des fentes à rebuts 56 illustrées sur la figure 1. Divers types de matériaux de déplacement temporaires et de pièce rapportée de moule sont aptes à être installés dans la cavité de moule 252a en fonction de la configuration souhaitée pour l'outil de forage à matrice final. Par exemple, les pièces rapportées de moule 70a pouvant être formées à partir de divers matériaux tels que du sable consolidé et/ou du graphite peuvent être disposées dans la cavité de moule 104. Diverses résines sont aptes à être utilisées pour former du sable consolidé. Les pièces rapportées de moule 70a peuvent avoir des configurations et des dimensions qui correspondent aux caractéristiques souhaitées du corps d'outil à matrice 50 telles que l'évidement 70 formé dans la partie extérieure 58 des lames 54. Les dimensions et la configuration des pièces rapportées de moule 70a et des évidements associés 70 peuvent être sélectionnées pour correspondre aux dimensions et à la configuration souhaitées pour les patins de jauge obtenus (non expressément représentés) sur les lames respectives 54. Le corps d'outil à matrice 50 peut comprendre une cavité ou chambre de fluide relativement grande 32 dotée de plusieurs passages d'écoulement de fluide 72 et 74 s'étendant à partir de celle-ci. Voir la figure 6. Comme le montre la figure 5, des matériaux de déplacement tels que du sable consolidé peuvent être installés à l'intérieur de l'ensemble moule 200a à des emplacements sélectionnés pour former des parties de la cavité 32 et des passages d'écoulement de fluide 72 et 74 s'étendant à partir de celle-ci. L'orientation et la configuration des segments de sable consolidé 172 et 174 peuvent être sélectionnées pour correspondre aux emplacements et aux configurations souhaitées des passages d'écoulement de fluide associés 72 et 74 qui font communiquer la cavité 32 avec les buses respectives 68. Un coeur de sable consolidé relativement gros et de forme généralement cylindrique 150 peut être placé sur les segments 172 et 174. Le nombre de segments qui s'étendent à partir du coeur de sable 150 va dépendre du nombre souhaité d'ouvertures de buse du corps d'outil à matrice final. Après que les matériaux de déplacement souhaités, notamment le coeur 150 et les segments 172 et 174, ont été installés à l'intérieur de l'ensemble moule 200a, un matériau de matrice 131 ayant les caractéristiques souhaitées pour le corps d'outil à matrice 50 peut être placé à l'intérieur de l'ensemble moule 200a. La présente invention permet d'utiliser des matériaux de matrice ayant des caractéristiques de ténacité et de résistance à l'usure pour former un outil de forage à couteaux fixes ou un outil à lames. Une ébauche d'outil 36 cylindrique et généralement creuse peut ensuite être placée à l'intérieur de l'ensemble moule 200a. L'ébauche d'outil 36 comporte de préférence un diamètre intérieur 37 qui est supérieur au diamètre extérieur du coeur de sable 150. Divers accessoires de fixation (non expressément représentés) peuvent être utilisés pour positionner l'ébauche d'outil 36 à l'intérieur de l'ensemble moule 200a à un emplacement souhaité à distance du premier matériau de matrice 131. Dans certaines applications, un second matériau de matrice 132 tel que de la poudre de tungstène peut ensuite être placé dans l'ensemble moule 200a entre les parties extérieures de l'ébauche d'outil 36 et les parties intérieures adjacentes de l'entonnoir 220a. Ce second matériau de matrice 132 peut être une poudre relativement douce qui forme une matrice que l'on peut ensuite usiner pour obtenir une configuration extérieure et une transition souhaitée entre le corps d'outil à matrice 50 et l'ébauche d'outil 36. Voir la figure 6. Le second matériau de matrice 132 peut parfois être décrit comme une "poudre usinable d'infiltration." Le matériau de matrice 131 peut être constitué de carbures cémentés et/ou de carbures sphériques, comme expliqué précédemment. Des alliages de cobalt, de fer et/ou de nickel peuvent être utilisés pour former ces carbures cémentés et/ou carbures sphériques. Dans certains modèles d'outil de forage à matrice, une concentration d'alliage d'environ six pour cent dans le premier matériau de matrice peut procurer les meilleurs résultats. Des concentrations d'alliage comprises entre trois pour cent et six pour cent et entre environ six pour cent et quinze pour cent peuvent également s'avérer satisfaisantes pour certains modèles d'outil de forage à matrice. En revanche, des concentrations d'alliages supérieures à environ quinze pour cent et des concentrations d'alliages inférieures à environ trois pour cent peuvent entraîner des caractéristiques moins qu'optimales pour le corps d'outil à matrice final. Un procédé type d'infiltration pour la formation du corps d'outil à matrice 50 peut consister à commencer par former l'ensemble moule 200a. On peut visser une bague de jauge 204a sur le dessus du moule 203a. On peut visser l'entonnoir 220a sur la bague de jauge 204a pour étendre l'ensemble moule 200a à une hauteur souhaitée lui permettant de contenir les matériaux de matrice et le matériau liant précédemment décrits. On peut alors charger des matériaux de déplacement et notamment, entre autres, les pièces rapportées de moule 70a, les segments 172 et 174, et le coeur de sable 150 à l'intérieur de l'ensemble moule 200a, si on ne les a pas déjà placés dans la cavité de moule 252a. On peut charger les matériaux de matrice 131 et 132 et l'ébauche d'outil 36 dans l'ensemble moule 200a comme décrit précédemment. Au fur et à mesure qu'on remplit les ensembles moule 200 ou 200a, avec les matériaux de matrice, on peut induire une série de cycles de vibration dans chaque ensemble moule 200 ou 200a pour faciliter l'obtention de la répartition souhaitée de chaque couche ou zone de matériaux de matrice 131 et 132. Les vibrations permettent d'assurer une masse volumique cohérente de chaque couche de matériaux de matrice 131 et 132 dans des plages respectives nécessaires pour obtenir les caractéristiques souhaitées pour le corps d'outil à matrice 50. Le matériau liant 160 peut être placé par-dessus la couche 132, l'ébauche d'outil 36 et le coeur 150. Le matériau liant 160 peut être recouvert d'une couche de flux (non expressément représentée). Un couvercle (non expressément représenté) peut être placé sur l'ensemble moule 200a. L'ensemble moule 200a et les matériaux disposés à l'intérieur de ce dernier peuvent être préchauffés puis placés dans un four (non expressément représenté). Lorsque la température du four atteint le point de fusion du matériau liant 160, le matériau liant liquide 160 peut s'infiltrer dans les matériaux de matrice 131 et 132 et la couche 101-105 de matériau dur. Voir la figure 2A.
L'ensemble moule 200a peut ensuite être retiré du four et refroidi à une vitesse contrôlée. Une fois refroidi, l'ensemble moule 200a peut être cassé pour exposer le corps d'outil à matrice 50. Voir, par exemple, la figure 6. Bien que la présente invention ait été décrite à la lumière de plusieurs modes de réalisation, l'homme du métier pourra envisager diverses variantes et modifications de ceux- ci. Il doit être entendu que la présente invention englobe les variantes et modifications qui sont dans la portée des présentes revendications annexées.
Claims (64)
- REVENDICATIONS1. Outil de forage (20) ayant un corps d'outil à matrice (50) comprenant : une pluralité d'éléments de coupe (60) disposés à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice ; au moins un premier matériau de matrice (131) ayant une première dureté suffisante pour former le corps d'outil à matrice, le premier matériau de matrice formant les parties extérieures du corps d'outil à matrice étant associé à la mise en prise et à l'extraction des matériaux de formation d'un trou de forage ; et au moins une couche (101-105) d'un second matériau disposée à un ou plusieurs emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice , le second matériau ayant une dureté supérieure à la première dureté du premier matériau de matrice pour améliorer la résistance du corps d'outil à matrice, à un ou plusieurs emplacements sélectionnés, aux forces d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue à proximité de l'un ou plusieurs emplacements sélectionnés.
- 2. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second matériau est sélectionné dans le groupe constitué par les carbures cémentés, les carbures mixtes, les carbures sphériques, les carbures de tungstène macrocristallins, les carbures fondus, un matériau fritté faiblement allié et leurs formulations.
- 3. Outil de forage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'au moins une couche du second matériau comprend : une couche composite (101) formée de deux ou plusieurs sous-couches (111-113) du second matériau ; chaque sous-couche comprenant un matériau adhésif dans lequel sont disposées des pastilles (130, 140) du second matériau ; des particules du premier matériau de matrice (131) disposées à l'intérieur de chaque couche adhésive ; et les pastilles du second matériau sensiblement plus grosses que les particules du 30 premier matériau de matrice.
- 4. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second matériau comprend des pastilles de carbure de tungstène (130).
- 5. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second matériau comprend du carbure de tungstène fritté concassé.
- 6. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second matériau comprend au moins cinquante pour cent (50 %) de pastilles de carbure de tungstène (130) en poids.
- 7. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second matériau comprend au moins soixante-dix pour cent (70 %) de pastilles de carbure de tungstène (130) en poids. 15
- 8. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second matériau comprend des pastilles de carbure de tungstène (130) formées avec un matériau liant compris dans une plage d'environ trois pour cent (3 %) ou plus à moins de cinq pour cent (5 %) du poids desdites pastilles de carbure de tungstène. 20
- 9. Outil de forage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en qu'il comprend plusieurs couches (101-105) du second matériau disposées à chaque emplacement sélectionné sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice (50).
- 10. Outil de forage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 25 que le corps d'outil à matrice (50) comprend : plusieurs couches (101-105) du second matériau disposées à une pluralité d'emplacements sélectionnés des parties extérieures du corps d'outil à matrice pour améliorer la résistance aux forces d'abrasion, d'érosion, d'usure, de choc et/ou de fatigue aux emplacements sélectionnés ; et 30 de faibles quantités du premier matériau de matrice (131) disposées à l'intérieur des couches du second matériau, dans lesquelles le premier matériau de matrice comprend moins de vingt pour cent (20 %) en poids de chaque couche du second matériau.10
- 11. Outil de forage à matrice ayant un corps d'outil à matrice (50) avec des parties extérieures composites comprenant : une pluralité de lames (54) disposées sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice et s'étendant à partir de celles-ci ; des trajets d'écoulement (72, 74) respectifs disposés entre des lames adjacentes, moyennant quoi un fluide associé au forage d'un trou de forage dans une formation de fond de trou peut s'écouler entre des lames adjacentes par le trajet de fluide respectif ; et une pluralité d'éléments de coupe (60) disposés à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures de chaque lame, le corps d'outil à matrice étant formé en partie à partir d'au moins un premier matériau de matrice (131) ayant une première dureté, et le premier matériau de matrice formant les parties extérieures du corps d'outil à matrice associé à la mise en prise et à l'extraction des matériaux de formation provenant d'emplacements de fond de trou dans un trou de forage ; et des couches respectives (101-105) d'un second matériau disposées à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice qui sont généralement associées aux forces potentielles d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue du corps d'outil à matrice , le second matériau ayant une second dureté supérieure à la première dureté du premier matériau, moyennant quoi les couches du second matériau coopèrent avec le premier matériau pour former une double composition de surface permettant d'améliorer la résistance aux forces d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue à proximité des emplacements sélectionnés respectifs sur le corps d'outil à matrice.
- 12. Outil de forage selon la revendication 11, caractérisé en ce que le premier matériau est sélectionné dans le groupe constitué par les carbures cémentés, les carbures mixtes, les carbures sphériques, les poudres de carbure de tungstène macrocristallin, les poudres de carbure fondu et leurs formulations.
- 13. Outil de forage selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que les couches respectives (101-105) du second matériau ont une épaisseur totale comprise entre environ 6,4 mm (0,25 pouce) et 12,7 mm (0,50 pouce) à un ou plusieurs des emplacements sélectionnés.
- 14. Outil de forage selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'une seule couche (101) du second matériau a une épaisseur totale comprise entre environ 6,4 mm (0,25 pouce) et 12,7 mm (0,50 pouce) à un ou plusieurs des emplacements sélectionnés.
- 15. Outil de forage selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le second matériau comprend des pastilles de carbure de tungstène (130).
- 16. Outil de forage selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le second matériau comprend des pastilles de carbure de tungstène (130) formées avec un matériau liant respectif compris dans une plage d'environ trois pour cent (3 %) ou plus à moins de cinq pour cent (5 %) du poids desdites pastilles de carbure de tungstène.
- 17. Outil de forage selon la revendication 16, caractérisé en ce que le second matériau comprend les pastilles de carbure de tungstène (130) formées avec un liant à base de cobalt représentant environ quatre pour cent (4 %) du poids desdites pastilles de carbure de tungstène.
- 18. Outil de forage selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'au moins une couche du second matériau comprend un mélange de pastilles de diamant incrustées (140) et de pastilles de carbure de tungstène (130).
- 19. Outil de forage selon l'une des revendications 11 à 18, caractérisé en ce que le corps d'outil à matrice (50) comprend : au moins une ouverture de buse (66) s'étendant à travers le corps d'outil à matrice pour permettre la transmission des fluides de forage des parties intérieures du corps d'outil à matrice vers les parties extérieures du corps d'outil à matrice, plusieurs couches du second matériau étant disposées à proximité de l'ouverture de buse pour limiter l'érosion du corps d'outil à matrice par les fluides de forage associés sortant de l'ouverture de buse.
- 20. Outil de forage selon la revendication 11, caractérisé en ce que : chaque lame (54) sur le corps d'outil à matrice (50) a une surface d'attaque (51) et une surface de fuite (52) ; et plusieurs couches (102) du second matériau sont disposées de façon adjacente à la surface d'attaque de chaque lame moyennant quoi les couches du second matériau limitent l'érosion, l'abrasion et l'usure le long de la surface d'attaque de chaque lame respective.
- 21. Outil de forage selon l'une des revendications 11 à 18, caractérisé en ce que le corps d'outil à matrice (50) est tel que : chaque lame (54) ayant une pluralité de poches (62) dimensionnées pour recevoir un élément de coupe respectif à l'intérieur de celles-ci ; au moins une couche (105) du second matériau disposée à l'intérieur de chaque poche ; et un élément de coupe respectif disposé solidement à l'intérieur de chaque poche moyennant quoi la couche respective du second matériau limite l'érosion, l'abrasion et/ou l'usure de la poche lorsque l'élément de coupe respectif se met en prise avec des matériaux de formation de fond de trou pour former un trou de forage.
- 22. Outil de forage rotatif selon l'une des revendication 11 à 21, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une couche de matériau dur disposée sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice dans au moins un trajet d'écoulement disposé entre des lames associées.
- 23. Procédé de fabrication d'un outil de forage à matrice, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant à : placer des couches respectives (101-105) de matériau dur à des emplacements sélectionnés (101a-105a) sur les parties intérieures d'un moule (200, 200a) de corps d'outil à matrice (50) ; à placer une ébauche (36) d'outil creuse dans le moule de corps d'outil à matrice ; à placer au moins une matériau de matrice (131) sélectionné dans le groupe constitué par les carbures cémentés, les carbures mixtes, les carbures sphériques, le carbure de tungstène macrocristallin et le carbure fondu et leurs formulations dans le moule ; à placer un matériau (160) liant dans le moule, le matériau liant étant disposé à proximité du matériau de matrice et de l'ébauche d'outil creuse ; à faire chauffer le moule (200) et les matériaux disposés à l'intérieur à une température sélectionnée pour permettre au matériau liant de fondre et d'infiltrer le matériau de matrice et les couches de matériau dur et les pastilles de carbure de tungstène associées avec un matériau liant liquide chaud ; et à faire refroidir le moule et les matériaux disposés à l'intérieur de celui-ci pour former un corps d'outil à matrice avec plusieurs couches de matériau dur disposées à proximité des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice.
- 24. Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à former les parties intérieures du corps d'outil à matrice (50) avec plusieurs matériaux de matrice (131, 132).
- 25. Procédé selon l'une des revendications 23 ou 24, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à former plusieurs couches de pastilles de carbure de tungstène (130) à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice (50) associé à la mise en prise et à l'extraction de matériaux de formation de fond de trou pendant la formation d'un trou de forage.
- 26. Procédé selon l'une des revendications 23 ou 24, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à former plusieurs couches de carbure de tungstène fritté concassé à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice (50) associé à la mise en prise et à l'extraction de matériaux de formation de fond de trou pendant la formation d'un trou de forage.
- 27. Procédé selon l'une des revendications 23 à 26, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des étapes consistant à : déterminer les emplacements potentiels d'une érosion, d'une abrasion et/ou d'une usure excessive des parties extérieures du corps d'outil à matrice ; et à placer les couches (101-105) de matériau dur sur les parties intérieures du moule (200, 200a) de corps d'outil à matrice correspondant aux emplacements potentiels d'une érosion, d'une abrasion et/ou d'une usure excessive des parties extérieures du corps d'outil à 38 matrice associé avant de placer le matériau de matrice dans le moule.
- 28. Procédé selon l'une des revendications 23 à 27, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à former les couches du matériau dur (101-105) avec des dimensions respectives, notamment une épaisseur, sélectionnées pour limiter l'érosion, l'abrasion et/ou l'usure à proximité de l'emplacement sélectionné correspondant sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice.
- 29. Procédé de fabrication d'un outil de forage à matrice (20), comprenant les étapes consistant à : placer une première couche respective de matériau adhésif à des emplacements sélectionnés sur les parties intérieures d'un moule (200, 200a) de corps d'outil à matrice ; à placer des pastilles de carbure de tungstène (130) dans chaque première couche de matériau adhésif ; à placer une seconde couche respective de matériau adhésif sur chaque première couche de matériau adhésif et les pastilles de carbure de tungstène associées ; à placer des pastilles de carbure de tungstène supplémentaires (130) dans chaque seconde couche de matériau adhésif ; à placer une ébauche d'outil creuse (36) dans le moule de corps d'outil à matrice ; à placer au moins un matériau de matrice (131) sélectionné dans le groupe constitué par les carbures cémentés, les carbures mixtes, les carbures sphériques, le carbure de tungstène macrocristallin et le carbure fondu et leurs formulations dans le moule ; à placer un matériau liant (160) dans le moule, le matériau liant étant disposé à proximité du matériau de matrice et de l'ébauche d'outil creuse ; à faire chauffer le moule et les matériaux disposés à l'intérieur à une température sélectionnée pour permettre au matériau liant de fondre et d'infiltrer le matériau de matrice et les couches de matériau adhésif et les pastilles de carbure de tungstène associées avec un matériau liant liquide chaud ; et à faire refroidir le moule et les matériaux disposés à l'intérieur de celui-ci pour former un corps d'outil à matrice avec plusieurs couches de pastilles de carbure de tungstène disposées à proximité des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice.
- 30. Procédé selon la revendication 29, caractérisé en ce qu'il consiste à former les parties intérieures du corps d'outil à matrice (50) avec plusieurs matériaux de matrice (131, 132).
- 31. Procédé selon l'une des revendications 29 à 30, caractérisé en ce qu'il consiste à former plusieurs couches de pastilles de carbure de tungstène (130) à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice (50) associé à la mise en prise et à l'extraction de matériaux de formation de fond de trou pendant la formation d'un trou de forage.
- 32. Procédé selon l'une des revendications 29 à 31, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : déterminer les emplacements potentiels d'une érosion, d'une abrasion et/ou d'une 15 usure excessive des parties extérieures du corps d'outil à matrice ; et à placer une première couche de matériau adhésif dans laquelle sont dispersées des pastilles de carbure de tungstène (130) sur la partie intérieure des parties du moule (200, 200a) de corps d'outil à matrice correspondant aux emplacements potentiels d'une érosion, d'une abrasion et/ou d'une usure excessive des parties extérieures du corps d'outil à matrice 20 associé avant de placer le matériau de matrice dans le moule.
- 33. Procédé selon l'une des revendications 29 à 32, caractérisé en ce qu'il consiste à sélectionner le matériau adhésif dans le groupe constitué par les adhésifs mono-composant et les adhésifs bi-composant. 25
- 34. Procédé selon l'une des revendications 29 à 32, caractérisé en ce qu'il consiste à former les couches (101-105) du second matériau avec des dimensions respectives, notamment une épaisseur, sélectionnées pour limiter l'érosion, l'abrasion et/ou l'usure à proximité de l'emplacement sélectionné correspondant situé sur les parties extérieures du 30 corps d'outil à matrice (50).
- 35. Procédé selon l'une des revendications 29 à 34, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : former la cavité de moule (252, 252a) avec une pluralité d'éléments de déplacement (208) disposés dans celle-ci et chaque élément de déplacement ayant une configuration arquée complexe correspondant à la configuration souhaitée pour un trajet d'écoulement de fluide respectif disposé sur les parties extérieures d'une tête ; et à former la cavité de moule avec une pluralité de profils de lame négatifs (210), chaque profil de lame négatif étant disposé entre des éléments de déplacement associés et chaque profil de lame négatif ayant une configuration arquée complexe correspondant à la configuration souhaitée pour une lame respective disposée sur les parties extérieures de la tête de l'outil de forage.
- 36. Procédé selon l'une des revendications 29 à 35, caractérisé en ce qu'il consiste à sélectionner un matériau d'infiltration dans le groupe constitué par le carbure de tungstène, le carbure de monotungstène, le carbure de ditungstène, le carbure de tungstène macrocristallin, d'autres carbures métalliques, borures métalliques, oxydes métalliques, nitrures métalliques, le diamant polycristallin (PCD) ou des mélanges de ces matériaux d'infiltration.
- 37. Outil de forage (20) usagé ayant un corps d'outil à matrice (50) comprenant : une pluralité d'éléments de coupe (60) disposés à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice ; au moins un premier matériau de matrice (131) ayant une première dureté suffisante pour former le corps d'outil à matrice, le premier matériau de matrice formant les parties extérieures du corps d'outil à matrice associé à la mise en prise et à l'extraction des matériaux de formation d'un trou de forage ; et au moins une couche (101-105) d'un second matériau disposée à un ou plusieurs emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice après utilisation de l'outil de forage usagé pour former au moins une partie d'un trou de forage, et le second matériau ayant une dureté supérieure à la première dureté du premier matériau de matrice pour améliorer la résistance du corps d'outil à matrice, à un ou plusieurs emplacements sélectionnés, aux forces d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue à proximité de l'un ou plusieurs emplacements sélectionnés.
- 38. Outil de forage usagé selon la revendication 37, caractérisé en ce que le second matériau est sélectionné dans le groupe constitué par les carbures cémentés, les carbures mixtes, les carbures sphériques, les carbures de tungstène macrocristallins, les carbures fondus, un matériau fritté faiblement allié et leurs formulations.
- 39. Outil de forage usagé selon l'une des revendications 37 ou 38, caractérisé en ce que la au moins une couche (101-105) du second matériau comprend: une couche composite (101) formée de deux ou plusieurs sous-couches (111-113) du second matériau, chaque sous-couche comprenant un matériau adhésif dans lequel sont disposées des pastilles (130, 140) du second matériau, des particules du premier matériau de matrice disposées à l'intérieur de chaque couche adhésive , et les pastilles du second matériau étant sensiblement plus grosses que les particules du premier matériau de matrice.
- 40. Outil de forage usagé selon l'une des revendications 37à 39, caractérisé en ce que le second matériau comprend des pastilles de carbure de tungstène (130).
- 41. Outil de forage usagé selon l'une des revendications 37à 39, caractérisé en ce que le second matériau comprend du carbure de tungstène fritté concassé.
- 42. Outil de forage usagé selon l'une des revendications 37 à 41, caractérisé en ce que le second matériau comprend au moins cinquante pour cent (50 %) de pastilles de carbure de tungstène (130) en poids.
- 43. Outil de forage usagé selon l'une des revendications 37 à 41, caractérisé en ce que le second matériau comprend au moins soixante-dix pour cent (70 %) de pastilles de carbure de tungstène (130) en poids. 30
- 44. Outil de forage usagé selon l'une des revendications 37 à 43, caractérisé en ce que, le second matériau comprend en outre des pastilles de carbure de tungstène (130) formées avec un matériau liant compris dans une plage d'environ trois pour cent (3 %) ou25 plus à moins de cinq pour cent (5 %) du poids desdites pastilles de carbure de tungstène.
- 45. Outil de forage usagé selon l'une des revendications 37 à 44, caractérisé en ce que le corps d'outil à matrice comprend: plusieurs couches (101, 105) du second matériau disposées à une pluralité d'emplacements sélectionnés des parties extérieures du corps d'outil à matrice pour améliorer la résistance aux forces d'abrasion, d'érosion, d'usure, de choc et/ou de fatigue aux emplacements sélectionnés ; et de faibles quantités du premier matériau de matrice (131) disposées à l'intérieur des couches du second matériau, dans lesquelles le premier matériau de matrice comprend moins de vingt pour cent (20 %) en poids de chaque couche du second matériau.
- 46. Méthode de réparation d'un outil de forage (20) usagé utilisé pour former au moins une partie d'un trou de forage ayant un corps d'outil à matrice (50) et comprenant : une pluralité d'éléments de coupe (60) disposés à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice ; et au moins un premier matériau de matrice (131) ayant une première dureté suffisante pour former le corps d'outil à matrice, le premier matériau de matrice formant les parties extérieures du corps d'outil à matrice associé à la mise en prise et à l'extraction des matériaux de formation d'un trou de forage ; caractérisé en ce qu'au moins une couche (101-105) d'un second matériau est disposée à un ou plusieurs emplacements sélectionnés sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice de l'outil de forage usagé, le second matériau ayant une dureté supérieure à la première dureté du premier matériau de matrice pour améliorer la résistance du corps d'outil à matrice, à un ou plusieurs emplacements sélectionnés, aux forces d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue à proximité de l'un ou plusieurs emplacements sélectionnés.
- 47. Méthode selon la revendication 46, caractérisée en ce que le second matériau est sélectionné dans le groupe constitué par les carbures cémentés, les carbures mixtes, les carbures sphériques, les carbures de tungstène macrocristallins, les carbures fondus, un matériau fritté faiblement allié et leurs formulations.
- 48. Méthode de réparation selon l'une des revendications 46 ou 47, caractérisée en ce que la au moins une couche (101-105) du second matériau comprend: une couche composite (101) formée de deux ou plusieurs sous-couches (111-113) du second matériau, chaque sous-couche comprenant un matériau adhésif dans lequel sont disposées des pastilles (130, 140) du second matériau, des particules du premier matériau de matrice disposées à l'intérieur de chaque couche adhésive , et les pastilles du second matériau étant sensiblement plus grosses que les particules du premier matériau de matrice.
- 49. Méthode de réparation selon l'une des revendications 46 à 48, caractérisée en ce que le second matériau comprend des pastilles de carbure de tungstène (130).
- 50. Méthode de réparation selon l'une des revendications 46 à 48, caractérisée en ce que le second matériau comprend du carbure de tungstène fritté concassé.
- 51. Méthode de réparation selon l'une des revendications 46 à 50, caractérisée en ce que le second matériau comprend au moins cinquante pour cent (50 %) de pastilles de carbure de tungstène (130) en poids.
- 52. Méthode de réparation selon l'une des revendications 46 à 50, caractérisée en ce que le second matériau comprend au moins soixante-dix pour cent (70 %) de pastilles de carbure de tungstène (130) en poids.
- 53. Méthode de réparation selon l'une des revendications 46 à 52, caractérisé en ce que, le second matériau comprend en outre des pastilles de carbure de tungstène (130) formées avec un matériau liant compris dans une plage d'environ trois pour cent (3 %) ou plus à moins de cinq pour cent (5 %) du poids desdites pastilles de carbure de tungstène.
- 54. Méthode de réparation selon l'une des revendications 46 à 53, caractérisée en ce que le corps d'outil à matrice comprend: plusieurs couches (101, 105) du second matériau disposées à une pluralité d'emplacements sélectionnés des parties extérieures du corps d'outil à matrice pour améliorer la résistance aux forces d'abrasion, d'érosion, d'usure, de choc et/ou de fatigue aux emplacements sélectionnés ; et de faibles quantités du premier matériau de matrice (131) disposées à l'intérieur des couches du second matériau, dans lesquelles le premier matériau de matrice comprend moins de vingt pour cent (20 %) en poids de chaque couche du second matériau.
- 55. Outil de forage à matrice (20) ayant un corps d'outil à matrice (50) avec des parties extérieures composites comprenant : une pluralité de lames (54) disposées sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice et s'étendant à partir de celles-ci ; des trajets d'écoulement respectifs (72, 74) disposés entre des lames adjacentes moyennant quoi un fluide associé au forage d'un trou de forage dans une formation de fond de trou peut s'écouler entre des lames adjacentes par le trajet de fluide respectif ; une pluralité d'éléments de coupe (60) disposés à des emplacements sélectionnés sur les parties extérieures de chaque lame, le corps d'outil à matrice étant formé en partie à partir d'au moins un premier matériau de matrice (131) ayant une première dureté, le premier matériau de matrice formant les parties extérieures du corps d'outil à matrice étant associé à la mise en prise et à l'extraction des matériaux de formation provenant d'emplacements de fond de trou dans un trou de forage ; au moins un évidement formé dans les parties extérieures du corps d'outil à matrice à 20 un emplacement sélectionné généralement associé à des forces potentielles d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue sur le corps d'outil à matrice ; et au moins une couche (101-105) d'un second matériau disposée dans chaque évidement à l'emplacement sélectionné respectif situé sur les parties extérieures du corps d'outil à matrice le second matériau ayant une seconde dureté supérieure à la première dureté 25 du premier matériau moyennant quoi les couches du second matériau coopèrent avec le premier matériau pour former une double composition de surface permettant d'améliorer la résistance aux forces d'érosion, d'abrasion, d'usure, de choc et/ou de fatigue à proximité de l'emplacement sélectionné respectif de l'évidement sur le corps d'outil à matrice.
- 56. Outil de forage selon la revendication 55, caractérisé en ce que le premier matériau est sélectionné dans le groupe constitué par les carbures cémentés, les carbures mixtes, les carbures sphériques, les poudres de carbure de tungstène macrocristallin, les poudres de carbure fondu et leurs formulations.
- 57. Outil de forage selon l'une des revendications 55 ou 56, caractérisé en ce que le second matériau comprend en outre des pastilles de carbure de tungstène (130).
- 58. Outil de forage selon l'une des revendications 55 ou 56, caractérisé en ce que 10 le second matériau comprend des pastilles de carbure de tungstène (130) formées avec un matériau liant respectif compris dans une plage d'environ trois pour cent (3 %) ou plus à moins de cinq pour cent (5 %) du poids desdites pastilles de carbure de tungstène.
- 59. Outil de forage selon l'une des revendications 55 ou 56, caractérisé en ce que 15 le second matériau comprend des pastilles de carbure de tungstène (130) formées avec un liant à base de cobalt représentant environ quatre pour cent (4 %) du poids desdites pastilles de carbure de tungstène.
- 60. Outil de forage selon l'une des revendications 55 à 59, caractérisé en ce qu'au 20 moins une couche du second matériau comprend un mélange de pastilles de diamant incrustées (140) et de pastilles de carbure de tungstène (130).
- 61. Outil de forage selon l'une des revendications 55 à 60, caractérisé en ce que le corps d'outil à matrice (50) comprend : au moins une ouverture de buse (66) s'étendant à 25 travers le corps d'outil à matrice pour permettre la transmission des fluides de forage des parties intérieures du corps d'outil à matrice vers les parties extérieures du corps d'outil à matrice, l'évidement étant disposé à proximité de l'au moins une ouverture de buse, et plusieurs couches (101-105) du second matériau disposées dans l'évidement à proximité de l'ouverture de buse pour limiter l'érosion du corps d'outil à matrice par les fluides de forage 30 associés sortant de l'ouverture de buse.
- 62. Outil de forage selon l'une des revendications 55 à 61, caractérisé en ce que :5 chaque lame a une surface d'attaque (51) et une surface de fuite (54) ; tous les évidements respectifs sont formés dans la surface d'attaque de chaque lame ; et plusieurs couches (102) du second matériau sont disposées dans chaque évidement respectif adjacent à la surface d'attaque de chaque lame moyennant quoi les couches du second matériau limitent l'érosion, l'abrasion et l'usure le long de la surface d'attaque respective de chaque lame respective.
- 63. Outil de forage selon l'une des revendications 55 à 62, caractérisé en ce que: chaque lame (54) a une pluralité de poches (62) dimensionnées pour recevoir un élément de coupe (60) respectif à l'intérieur de celles-ci ; au moins un évidement est formé sur les parties extérieures de chaque lame à proximité d'au moins une poche ; et au moins une couche (105) d'un second matériau dur est disposée dans chaque évidement ; moyennant quoi les couches respectives du second matériau limitent l'érosion, l'abrasion et/ou l'usure des poches associées lorsque l'élément de coupe respectif se met en prise avec des matériaux de formation de fond de trou pour former un trou de forage.
- 64. Outil de forage rotatif selon l'une des revendications 55 à 62, caractérisé en ce qu'au moins une couche de matériau dur est disposée dans un évidement à un emplacement sélectionné dans au moins un trajet d'écoulement disposé entre des lames associées.
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