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La présente invention concerne un outil de forage. Plus particulière-
mentl mais sans que cela soit limitatif, la présente invention se rapporte à
un outil ou trépan de forage pouvant être fixé à l'extrémité inférieure d'une
colonne de forage. L'outil selon l'invention est d'un type comportant
plusieurs organes tournants munis d'éléments taillants, ces organes pouvant
être des molettes coniques tournant autour de roulements dont les axes sont
inclinés par rapport à l'axe central de l'outil.
Par le passé, les performances de tels outils~utilisés pour le forage
des terrainstont été améliorées par l'action simultanée de jets de fluide de
o forage qui frappent le fond du trou, ou front de taille, dans chacun des espa-
ces libres entre les organes d'attaques des terrains. Au niveau de l'outil, ce
fluide de forage doit avoir comme fonctions essentielles de refroidir l'outil,
de nettoyer cet outil ainsi que le front de taille, et d'évacuer rapidement les
déblais (cuttirgs) vers l'espace annulaire compris entre la colonne de forage
et la paroi du trou foré.
Dans un premier type d'outils selon l'art antérieur, les jets de
fluide débouchent à un endroit situ~ notablement au-dessus du niveau des molet-
tes. Il en résulte qu'avant d'atteindre le front de taille, les jets traver-
sent le fluide de forage chargé en déblais qui remplit le fond du trou foré.
De ce fait, la vitesse d'écoulement des jets au niveau du front de taille est
considérablement ralentie, ce qui réduit leur efficacité. De plus, les jets
entrainent une partie du fluide de forage chargé en déblais vers le front de
taille où les déblais sont rebroyés par l'outil dont le rendement est ainsi
diminué. Par ailleurs, les jets de fluide créent sur le front de taille une
surpression qui comprime les terrains et l~on constate que la æone de contact
entre l'outil et le front de taille où sont produits les déblais n'est pas suf-
fisamment irriguée par le fluide de forage.
Diverses modifications ont ét~ proposées, en particulier les outils
du type indiqué ci-dessus ont été modifiés pour que les jets de fluide de fo-
rage débouchent aussi près que possible du front de taille et, parfois même,
un jet axial a été ajouté. ~éanmoins, ces perfectionnements n'ont pas donné
entièrement satisfaction : le rebroyage des déblais n'a pas pu être supprimé,
pas plus que la surpression au niveau du front de taille.
Dans un second type d'outil selon l'art antérieur, on a proposé d'u-
tiliser, en combinaison avec les moyens d'irrigation constitués par des jets
de fluide, des moyens d'aspiration du fluide chargé en déblais, ces moyens
comportant un jet dirigé en sens opposé à celui de la progression de l'outil.
,
lO9~Z20
Ainsi l'outil décrit dans le brevet U.S. 3 111 179 comporte des ~ets
d'irrigation placés entre les molettes de l'outil, et des ~ets d'aspiration ali-mentés par des canaux prévus dans les bras de l'outil qui portent les molettes.
Outre le fait que les jets d'irrigation débouchent trop loin du front de taille
et présentent le~s inconvénients déjà indiqués précédemment, la position des jets
d'aspiration est telle que le fluide éjecté frappe la paroi du puits, d'où les
rlsques de destruction de cette paroi ce qui, bien entendu, neutralise d~ns une
large mesure l'action d'aspiration du ~ct. De plus, l'espacernent des orificcs des
jets d'aspiration et des orifices d'irrigation, mesuré dans la direction de l'axe
lo de l'outil, est faible et cela diminue fortement l'action des jets d'irrigation.
Le brevet U.S. 2 776 115 décrit un outil tricône mettant en oeuvre un
seul jet d'irrigation et deux jets d'aspiration. Le jet d'irrigation est de plusinclin~ vers le centrc du front de tflille, ciest-~-dire dans la zone où concou-rent les axes des molettes ainsi quc les espaces libres entre ces molettes. Il
en résulte que la plus grande partie du fluide d'irrigation passe d'un espace
libre à l'autre sans irriguer la zone de contact du front de taille avec les
dents des molettes.
Par suite, les performances des outils décrits dans ces deux brevets
américains ne sont pas notablement supérieures fl celles des outils du premier
; 20 type, ce qui expliq~e qu'ils n'aient pas connu de développement industriel.
Le brevet français 2 277 968, au nom de la demanderesse, décrit un
outil du second type ayant de bonnes performances mais mettant en oeuvre une
jupe ou carter qui isole l'espace surmontant le front de taille, de l'espace
annulaire délimité entre la paroi du puits et la colonne de forage. Une telle
réalisation convient parfaitement dans certains cas d'utilisation tels que par
exemplc forage de puits de très grand diamètre, forage à l'air, etc..., mais
peut présenter des difficultés de réalisation industrielle avec par ailleurs
des inconvénients du fait que sur une longueur assez grande l'outil a un dia-
mètre extérieur peu différent du diamètre du puits, d'où des risques de coin-
cement dans certains terrains notamment dans les formations tendres.
La présente invention propose un outil du second type ci-dessus dé-
fini qui par sa conception ne présente pas les inconvénients indiqués précédem-
ment, tout en ayant des performances d'utilisation considérabIement accrues
par rapport aux outils antérieurs.
~ .
L~
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Ces résultats sont atteints selon l'invention, telle
que revendiquée ici, aVec un outil de forage, comportant essen-
tiellement: un corps d'outil destiné à être entrainé en rota-
tion par un porte-outil, une cavité étant ménagée dans ce corps
pour recevoir a travers le porte-outil un fluide sous pression;
une pluralite d'organes tournants portés par le corps de l'ou-
til et munis d'éléments d'attaque de terrains sur un front de
taille; des moyens d'irrigation pour délivrer au moins un jet
fluide d'irri.gation dirigé vers le front de taille, ces moyens
d'irrigation comportant au moins une buse ayant un premier ori--
fice calibré ménagé dans le corps de l'outil et communiquant
directement avec ladite cavité, ce premier orifice débouchant
dans un premier espace compris entre deux organes tournants
adjacents; des moyens d'aspiration du fluide ayant irrigué les
organes tournants, ces moyens d'aspiration étant adaptés a déli-
vrer au moins un jet ascendant de fluide d'aspiration, les moyens
précités d'irrigation comportant au moins une buse d'irrigation
située dans ledit premier espace, cette buse d'irrigation pré-
sentant au moins deux ouvertures adaptées a produire des jets
fluides respectivement dirigés vers le bas et vers les deux
organes tournants entre lesquels est défini le premier espace
de façon a prendre contact avec lesdits organes tournants au
front de taille.
L'invention pourra être bien comprise et tous ses avan-
tages apparaîtront clairement a la lecture de la description
qui suit, de réalisations préférentielles illustrées par les
figures annexées dans lesquelles:
- la figure 1 représente, vu de dessous, l'outil
selon l'invention,
- les figures 2 et 3 montrent l'outil vu en coupe res-
pectivement selon les lignes X'X et Y'Y de la figure 1,
- les figures 4, 4A et 5 illustrent schématiquement
l(~9~ZZO
la configuration des buses d'irrigation,
- la figure 6 représente schéma-tiquement une variante
de réalisation d'une buse d'aspiration,
- la figure 7 illustre schématiquement une variante de
réalisation d'une buse d'irriyation,
- la figure 8 montre en sectlon droite un exemple
d'organe stabilisateur pouvant être placé au-dessus de l'outil et,
--la figure 9 illustre en coupe longitudinale un mode
de réalisation de l'organe stabilisateur, dans lequel un venturi
est ménage dans l'une des ailes de . ___ _ ___ _ _
et organe. 1 0 9 ~ Z 20
L'outil représent~ sur les figures est composé d'un corps 1 muni de
trois bras 2, 3 et 4 dont deux seulement sont représentés aux figures 2 et 3
Ces bras portent des organes d'attaque des terrains constitués, par exemple,
par des rouleaux ou molettes coniques 5, 6 et 7 tournant sur des roulements non
représentés et dont les axes sont inclinés par rapport à l'axe vertical de l'ou-til. Chacun dè ces organes tournants peut être de tout type connu et comporter
des dents, comme représenté sur la figure 1, ou d'autres éléments taillants
capables d'attaquer les terrains au niveau du front de taille.
La partie supérieure 8 du corps 1 (fig. 2 et 3) est filetée pour as-
surer le raccordement de l'outil à un élément porte-outil qui l'entraine en
rotation.
Ce porte-outil, désigné par la référence 9, peut être constitué par
la colonne de forage dans le cas du forage rotary. Lorsque l'outil est direc-
tement entrain~ en rotation par un moteur de fond, le porte-outil sera consti-
tué par le rotor de ce moteur.
Dans le corps 1 de l'outil est ménagée une cavité la qui communique
directement avec la canalisation intérieure de la colonne de forage.
Le corps de l'outil est pourvu de buses lOa, lla et 12a ayant des
orifices calibrés tlOb, lOc, llb, llc et 12) qui communiquent avec la cavité
la. Les buses lOa et lla sont placées dans deux des espaces libres entre les
molettes,en étant de préférence situées sensiblement dans les plans bissecteurs
de ces espaces. Les couples d'orifices (lob, lOc; llb, llc) sont placés de tellesorte que, pendant le fonctionnement de l'outil, le fluide qui alimente la ca-
vité la s'échappe par ces orifices (lOb, lOc; llb, llc) en formant deux paires
de jets d'irrigation qui s'écoulent dans deux des espaces libres compris entre
les organes tournants 5, 6, 7 et dans un sens ayant une composante dirigée dans
le sens de progression de l'outil en for.ctionnement.
L'orifice calibré 12 est placé de telle sorte que, pendant le fonc-
tionnement de l'outil, le fluide s'échappe au-dessus du troisième espace libre
compris entre les organes tournants 5, 6, 7 en formant un jet ascendant, c'est-
~-dire un jet s'éloignant du front de taille et produisant un effet d'aspiration.
Ce jet ascendant provoque une dépression dans l'espace annulaire compris entre
le raccord supérieur de l'outil et le trou foré.
On dispose ainsi d'une différence de pression entre le front de taille
et la zone où est situé le jet d'aspiration. Cette différence de pression accé-
lère notablement la remontée de la boue chargée de déblais qui s'écoule très
rapidement du front de taille vers cette zone.
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Les déblais sont ainsi évacués du front de taille aussitôt qu'ils
sont formés et dans ces conditions, l'outil de forage reste propre en permanen-
ce ce qui permet des vitesses de forage accrues et accroit la longévité des
organes de l'outil (dentures, paliers, etc. .).
Il peut être avantageux, ainsi que le montrent les figures 2 et 3,
que l'alimen~ation en fluide des orifices calibrés (lOb, lOc; llb, llc, 12), à
partir de la cavité la, se fasse par des conduits concus de manière à réduire
le plus possible les pertes de charges du fluide notamment par un raccordement
tangentiel à la paroi de la cavité la.
lo Dans l'exemple de réalisation illustré aux figures 1 à 3, les orifi-
ces calibrés (lOb, lOc; llb, llc; 12) sont constitués par les orifices des busesloa, lla et 12a respectivement.
Les figures 4 et 5 mcntrent schématiquement la configuration des bu-
ses lOa ou lla par lesquelles s'échappent les jets d'irrigation.
Sur la figure 4, on a représenté en coupe verticale la buse loa pla-
cée dans l'intervalle compris entre les organes tournants 6 et 7 schématisés
par des traits mixtes. Comme on peut le voir sur cette figure, la buse lOa
est pourvue de deux orifices lOb et lOc orientés de telle sorte que les jets de
fluide qui sortent de ces orifices atteignent les organes tournants dans le
voisinage immédiat du front de taille. Autrement dit, les axes des jets sor-
tant des orifices calibrés lOb et lOc sont sensiblement tangents aux organes
tournants 7 et 6 respectivement.
Ces orifices calibrés peuvent etre des orifices circulaires mais de
préférence ils auront une forme de fente, comme on peut le voir sur la figure
5 qui est une vue de dessous partielle de la figure 4.
Dans ces conditions, pour obtenir une efficacité maximale des jets
d'irrigation, chacune de ces fentes est sensiblement parallèle à la génératrice
de l'organe tournant atteinte par le jet de fluide, et agencée de facon que le
` iet agisse sur la plus grande longueur possible de cette génératrice.
Diexcellents résultats peuvent être obtenus en inclinant les jets
d'irrigation par rapport à un plan perpendiculaire a l'axe de l'outil d'un
angle ~ (fig. 4 A) dont la valeur,exprimée en degrés, est comprise dans l'in-
tervalle de 110 h à 150 h, où h est la distance entre les ouvertures telles
H H
que lOb et loc et le front de taille, et H est la hauteur des organes tournants
ou molettes 5, 6 ou 7, mesurée parallèlement à 1'axe de l'outil.
l(}9~ZZO
A titre d'exemple, si l'on considère le plan XX' de symétrie ou plan
bissecteur de l'espace libre entre deux organes tournants, les fentes lOb et
loc sont placées symétriquement par rapport à ce plan et font entre elles un
angle o~ qui pDurra être voisin de 35 à 40 pour un outil tricone (fig. 5).
La figure 6 montre, en vue de dessus, une variante de réalisation des
moyens d'aspiration qui sont alors constitués par au moins un groupe de buses
a~acentes 12a~, 12a2, 12a3, ou plus généralement par des moyens d'aspiration
répartis sur un large intervalle angulaire, les buses adjacentes d'un groupe
pouvant être éventuellement remplacées par une buse de section droite allonge
couvrant à elle seule un large secteur angulaire. Trois buses sont représentées
mais ce nombre n'est nullement limitatif.
Bien entendu, les buses sont fixées de façon interchangeable et elles
seront choisies par l'utilisateur en fonction du débit et de la pression du
fluide d'irrigation.
Des modifications pourront être apportées sans pour autant sortir du
cadre de la présente invention. Par exemple, comme le montre la figure 7, les
buses d'irrigation telles que lOa pourront être portées par un prolongateur 13
fixé au corps de l'outil par tout moyen connu tel qu'un filctage 14, ce prolon-
gateur étant interchang~able pour permettre d'ajuster la distance h définie
plus haut à la valeur désirée par l'utilisateur, en fonction de la nature des
formations géologiques à forer.
Il est également possible de placer au-dessus du jet d'aspiration un
organe adapté à accélérer la remontée du fluide de forage chargé en déblais
dans l'espace annulaire délimité par la colonne de forage et la paroi du puits.
Cet organe, accélérant la remontée du fluide de forage pourra com-
porter un tube venturi constituant ainsi avec le jet de fluide d'aspiration un
hydro-éjecteur.
Dans un mode de réalisation tel que celui représenté sur la figure
8, l'outil de forage est immédiatement surmonté de l'organe stabilisateur 16
comportant plusieurs lames définissant entre elles des espaces 15 en communi-
cation directe avec l'espace annulaire compris entre la paroi du puits et la
colonne de forage.
Dans un tel cas, il peut être avantageux de ménager un tube venturi
18 dans l'une des lames 21 du stabilisateur 16 comme illustré p~r la figure
9, l'organe 16 étant alors fixé par tout moyen approprié tel que des vis 17,
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dans une position telle que le tube venturi 18 ait sensiblement m2me axe que le
~et de fluide d'aspiration. Dans ce cas, le tube venturi 18 communique avanta-
geusement avec l'espace annulaire défini ci-dessus par deux conduits débouchant
respectivement sur les deux parois radiales de la lame 21 par des orifices 20
inclinés par rapport à l'axe de l'outil pour empecher la re~ombée des déblais
par gravité dans le tube venturi lorsque la circulation du fluide de forage est
interrompue.
L'inclinaison des bords des orifices 20 sur l'axe du tube venturi 18
sera avantageusement inférieure a 45.
