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126g~;~i7
La presente invention est relative ~ un outil
de forage diamanté, garni d'el~ments de coupe
eventuellement synthetiqueQ, disposes en saillie par
rapport a des zones de drainage formees par des portions
de surface delimitant le corps de l'outil proprement dit
et muni d'au moins un orifice de lavage alimentb en
fluide de forage.
Les élements considéres sont des diamants
naturels ronds, des diamants naturels cubiques, de^~
diamants synthetiques sertis, qu'ils soient mono- ou
polycristallins et ~uelle que soit leur forme ou de
plaquettes diamantees polycristallines rapport~es.
Les outils de forage diamantés suivant la
prbsente invention trouvent leur principale application
dans le forage de terrains tendres ou mi-durs eventuel-
lement collants, tels que les argiles et les gr~s po-
reux. Ils sont egalement ut~lises dans les terrains
constitues de couches alternees de terrains très tendres
et mi-durs. De tels terrains necessitent une hydrauli-
que tres étudiee afin d'eviter d'une part, le rebroyage
des dbchets de coupe et d'autre part, le colmatage de
l'outil.
On connait par le brevet belge n 771.628, un
trepan de forage rotatif garni de pierres serties. Ces
diamants sont disposbs a la surface de l'outil en
rangees sensiblement radiales ; ils sont sertis dans la
partie du corps d'outil constitue de protubbrances
~d~
lZ643i7
d'attaque en saillie de quelques millimetres de haut,
séparées entre elles par des gorges radiales qui as-
surent le drainage des débris de coupe par le fluide
de refroidissement L'arrangement des protubérances
garnies de pierres serties et des évidements réservés
au drainage du fluide de refroidissement du diamant
ainsi que la géométrie de ces zones est choisie de ma-
nière à ce que le refroidissement et l'évacuation des
débris de roches soient optimaux. L'amenée du fluide
de forage est réalisée par un large canal dans la zone
centrale de l'outil; ce canal n'est pas spécialement
profilé et le fluide de forage aboutissant à la surfa-
ce de l'outil entre en contact avec la roche avec une
vitesse faib~e et s'écoule préférentiellement suivant
les passages d'eau plus ou moins radiaux, la chute de
pression globale a l'outil est genéralement faible :
une dizaine de bars.
Ces outils à pierres serties conventionnels permet-
tent, selon la quantité et la grosseur des pierres, de
forer des terrains assez durs à très durs. Par contre,
dans les terrains tendres et agglutinants, ils ne réa-
lisent que des performances mediocres et se colmatent
rapidement.
On connait aussi par le document US-A-3.915.246 un
outil de forage rotatif comprenant un corps d'outil
surmonté d'un dispositif de stabilisation et d'un man-
chon fileté ayant un diamètre nettement inférieur à
celui de l'outil. Le corps d'outil présente une série
de rainures verticales de largeur croissante s'éten-
dant du nez de l'outil jusqu'au bord d'extrémité su-
périeur d'un dispositif de stabilisation Des rainures
horizontales divisent la surface du corps d'outil en
~2643i7
portions rectangulaires garllies d'une série d'éléments
de coupe entourant cverl~uellement un orifice de rin~a-
ge alimenté en fluide de forage par un canal longitu-
dinal central.
Les éléments de coupe sont disposés hélicoldalement
le long du corps d'outil. Ils sont formés des dents
crénelees, des inserts de carbure de tungstène, des
inserts de céramique dure ou des diamants. Ils sont
rapportés directement sur le corps de l'outil, à la
surface de l'outil. Certains éléments de coupe ont des
dimensions nettement supérieures aux autres, de maniè-
re à constituer des points d'attaque préférentiels.
Les rainures horizontales ont pour but de favoriser
l'éclatement de la roche sous le poids de l'outil.
Une vanne à fermeture réglable automatique permet
de maintenir dans un large canal dans une zone centra-
le de l'outil, une pression suffisante pour alimenter
une série d'ajutages dirigés sensiblement perpendicu-
lairement dans une direction normale a la surface
courbe du corps et de 1'outil de forage. Les ajutages
ne sont donc pas destinés à rincer les éléments de
coupe mais plutôt à attaquer la roche. En l'absence de
rinçage, ces outils ne réalisent en -terrains tendres
et agglutinants que des performances médiocres puisque
rien n'est prévu pour éviter le colmatage. La disposi-
tion verticale et transversale des rainures ne permet
en effet plus d'assurer un drainage suffisant des
débris de coupe par le fluide de forage. Par contre,
ces outils permettent, grâce à la grosseur différente
des pierres, d'attaquer des terrains assez durs à très
durs en faisant éclater ponctuellement la roche.
C
- 126~3i7
D'autre part, on connaît aussi par le document US-
A-4.323.130, des outils cle lorage ~ ]aquettes diaman-
tées réparties sur toute la surface de l'outil.
Ces outils agissent principalement en coupant et en
cisaillant la structure à forer. L'enlèvement insuffi-
sant des copeaux formés par cisaillage dans les schis-
tes plastiques rend le travail de l'outil difficile et
ralentit l'avance de celui-ci.
Ces outils sont largement répandus sous deux formes
préférées : les outils en carbure infiltré et les ou-
tils en acier. Les deux formes d'outils se distinguent
principalement par l'ordre chronologique des diverses
~tapes de préparati~n. _ ~
126431'7
3a
D'une manière générale, les plaquettes diamantées
sont constituées d'une couche de diamallt polycristal-
lin rapportée sur un substrat de carbure de tungstène
par frittage.
Dans les outils en carbure infiltré, les plaquettes
diamantees ne sont fixées sur l'outil qu'en fin d'opé-
ration, après moulage de l'outil. Elles sont solidari-
sées par brasage sur des supports de carbure de
tungstene préalablement enserrés dans le corps de
l'outil au cours de sa fabrication par infiltration.
Par contre, dans les outils en acier, les plaquet-
tes diamantées sont brasées sur un support de carbure
avant que ceux-ci ne soient fixés sur le corps de
l'outil le plus souvent par frettage.
La r~partition des plaquettes répond à des critères
bien précis de densité radiale en fonction de la dis-
tance au centre de l'outil et de la repartition angu-
laire assurant un bon équilibrage mécanique de l'outil
de forage. A cette répartition des plaquettes est as-
sociée une repartition optimale de l'alimentation en
fluide de forage qui, dans ce cas, est constituée de
plusieurs conduits ménagés dans la masse et aboutis-
sant à la surface de l'outil en des endroits bien dé-
terminés, généralement de part et d'autre de l'axe de
rotation à des distances différentes de l'axe susdit;
ces conduits sont en général munis, à leur extrémité,
d'ajutages d'injection dirigés sensiblement perpendi-
culairement à la surface de l'outil, leur permettant
de créer des jets puissants perpendiculaires à la
paroi du puits foré. L'impact des jets contribue à la
destruction de la roche et le fluide dévié permet le
refroidissement de l'outil et favorise le deblaiement
des débris de manière a éviter le colmatage.
Les ajutages d'injection sont realisés en un
'~
. ~.
12643i7
matériau présentant une haute resistance à l'usure,
géneralemerlt du carbure dc tungsterlc frltte Le fluide
de forage présent dans la cavité intérieure de l'outil
et provenant du train de tige, en traversant l'ajuta-
ge, est soumis à une accélération brutale avec un ren-
dement hydraulique élevé, la différence de pression
entre l'amont et l'aval de l'ajutage peut atteindre 50
à 100 bars, ce qui correspond à des vitesses liné-
aires du jet au voisinage de l'orifice de l'ordre de
grandeur de 100 mètres par seconde.
Quelle que soit sa forme extérieure, le corps des
outils décrit dans le document US-A-4.323.130 précité
peut être réalisé indifféremment en acier ou en carbu-
re infiltré.
Ce dernier type d'outils réalise d'excellentes per-
formances dans les terrains tendres et, en particu-
lier, dans les terrains très tendres et agglutinants.
On constate toutefois que la vitesse de pénétration
diminue très rapidement lorsqu'on aborde des terrains
de dureté plus élevée, tels des terrains de dureté
moyenne comme par exemple le calcaire et la dolomie.
On constate également un risque de plus en plus grand
de colmatage au fur et à mesure que le diamètre de
l'outil augmente et ce, en raison de la difficulte
croissante d'éliminer les débris de coupe.
Enfin, par le document US-A-3.322.213 est connu un
outil rotatif de forage minier ou pétrolier comprenant
un corps d'outil garni d'éléments de coupe groupés sur
des îlots répartis sur toute la surface de l'outil et
séparés les uns des autres par des portions de surface
délimitant le corps de l'outil proprement dit. Au cen-
tre de chaque îlot, est ménagé un orifice de rinçage
~ ':'.
4a 126~317
alimenté en fluide de forage par un canal longitudinal
central. Les éléments de coupe sont des diamants ou
des plots de carbure de tungstène fixés au corps d'ou-
til par sertissage, brasage ou soudage.
Les orifices de rin~age ne sont pas munis d'a-
jutage. Le fluide de forage est amené par un canal axial
ménagé au centre du corps d'outil. Ce canal débouche
en divers orifices de décharge ménagés à la surface in-
férieure de l'outil. Le fluide de forage s'échappe li-
brement des orifices de décharge, s'écoule latéralement
vers des zones de drainage radiales ou hélico;dales ré-
parties sur la face latérale de l'outil. Ces zones as-
surent une répartition homogène du fluide de forage et
donc un débit suffisant à l'endroit de chaque élément
coupant. Un refroidissement défectueux à un endroit
donné provoquerait la destruction irrémédiable d'un é-
lément coupant.
L'écoulement libre le long des zones de drai-
nage ne permet cependant pas de rincer les éléments cou-
pants et d'évacuer certaines boues qui adhèrent à l'ou-
til. Un tel outil se colmate donc facilement dans les
terrains agglutinants.
La présente invention vise à remédier aux in-
convénients des outils connus précités.
La présente invention vise un outil de fora-
ge diamanté, comportant un corps d'outil garni d'élé-
ments de coupe groupés sur des ilots répartis sur toute
la surface de l'outil et séparés les uns des autres par
des zones de drainage formées par des portions du corps
de l'outil et munies d'au moins un orifice de lavage
dans lequel débouche un ajutage d'injection de fluide
de forage incliné par rapport à la surface de l'outil,
les ajutages d'injection étant dirigés
directement vers les éléments de coupe.
12~43~7
-- 5
De préférence, dans les terrains de dureté
plus élevée, on utilisera des pierres naturelles ou syn-
thétiques serties sur des îlots en saillie de 1 à 10
mm par rapport au corps de l'outil proprement dit.
De préférence, les îlots présentent une lar-
geur de 20 à 200 mm et de preférence de 20 à 60 mm.
De preférence, les éléments de coupe sont grou-
pés par trois, dont deux de front suivis d'un troisième
élément, ces éléments formant un triangle.
De préférence, les ajutages d'injection sont
inclinés radialement et tangentiellement par rapport
à la surface de l'outil ou des llots.
De préférence, les îlots comportent des sur-
faces-freins situées devant les éléments de coupe et
destinées à limiter la profondeur de coupe de ces élé-
ments de coupe.
/
/
/
/
1`, - '
6 ~.26~3i7
D'autres particularites et détails de
l'invention apparaitront au cours de la description
detaill~e suivante d'une forme de realisation pr~ferbe
de l'outil de forage suivant l'invention a eléments de
coupe et jet~ repartis.
Dans ces dessins ~
10 - la figure 1 montre en perspective, un outil de
forage plat ~ pierres serties disposees en saillie
sur des protuberances reparties suivant
l'invention, sur toute la surface de l'outil ;
15 _ les figures 2 et 3 sont des vues de bout et de plan
de l'outil de forage montre a la figure 1 ;
- les figures 4 et 5 sont des vues de bout et de plan
de l'outil du type d'ilot montre aux figures 1 et
2 5
- les figures 6 a 11 montrent en detail trois forme-
~
de realisation diff~rentes de sertissage de pierre
cubique susceptible d'être appliquee sur un ~lot,
vues respectivement en bl~vation laterale et en
bout ~
- les figures 12 A 17 illustrent en dbtail trois
forme~ de realisation differentes de sertissage
d'une pierre prismatique susceptible d'être
applique sur un ilot, vues respectivement en
~levation latbrale et en bout ~
- la figure 18 montre en perspective, un outil de
forage plat ~ plaquettes diamantees
7 lZ~4317
polycristalline6 dispos~es en saillie sur des
protub~rances ;
- les figures 19 et 20 sont des vues de bout et de
plan de l'outil de forage montr~ a la figure 16 ;
- les figures 21 et 22 illustrent en d~tail une
protub~rance garnie de plaquettes polycristallines,
0 - la figure 23 montre une forme de repartition
radiale des llots et de leurs ~l~ments de coupe ;
- la figure 24 illustre la realisation d'un ~lot de
grande dimension, comportant un element secondaire
de protection de plaquettes diamantees constitu~
d'une surface-frein, et
- la figure 25 est une coupe d'un $10t, tel que
montre a la figure 24, normale a la surface de
l'outil et parallèle a la direction de coupe.
Dans ces figures, les mêmes notations de
reference dbsignent des elements identiques ou
analogues.
De nombreuses publications recentes montrent
l'importance de l'hydraulique dans le comportement des
outils de forage pour en ~ustifier les performances.
Elles etudient en particulier ~l'effet ~et~ et le relief
des outils ~quipes de ces ~ets. Les elements de coupe
les plus repandus sont des plaquettes diamantees de type
PDC, c'est-~-dire ~polycristalline diamand compact~.
En partlculier, l'ouvraga de synth~se
intltule ~Advanced Dr~lling Techniques~ par William C.
Maurer, comptant 698 pages et ed~te en 1980 par The
8 126~3~7
Petroleum Company, décrit divers aspects des effets ~ets
en forage p~trolier.
L'article de Dave Glowka ~Optimalisation of
Bit Hydraulic Configuration~, de Sandia National
Laboratories paru dans la revue technique ~Society of
Petroleum Engineers Journal" de fevrier 1983, analyse le
comportement des outils a plaquettes PDC munis
d'orifices de lavage non munis d'ajutages d'injection.
En fait, il existe de~ des outils a ~ets,
tels que ceux decrits dans le brevet americain n 4 323
130, les elements coupants sont cependant fix~s au
niveau de la surface inf~rieure plane de la matrice de
l'outil.
Ces outils a jets suivant l'invention,
design~s dans leur ensemble par la notation de ref~rence
1, 5e distinguent d'autres outils de forage par
l'ensemble des elements suivants :
- un profil quelconque muni eventuellement d'un
~videment conique 2 ~
25 - une distribution des elementY de coupe 3 sur toute
la surface de l'outil, non pas repartis suivant des
~lames~ ou ~ailes~, ni non plus complètement isoles
les uns des autres, mais plutôt groupes en
surelevation sur des tlot~ 4, separés entre eux par
des zones de drainage 5 dans le but de favoriser
leur refroidissement et l'elimination de debris de
roches J
- une alimentation en fluide de forage au travers de
conduitQ 6 aboutisqant a la surface de l'outil,
9 12~4;~ ~
~oit dans les zones de drainage 5, soit dans les
ilots 4, dirig~s vers la formation et en g~néral
garnis chacun a leur extr~mité d'un ~jet nozzle~ 7,
c'e~t-~-dire d'un ajutage constitué d'un mat~riau
offrant une résistance particuli~re a l'érosion et
qui, par son profil bien étudi~, permet la mise en
vitesse du fluide de forage avec un bon rendement
hydraulique. Les canaux peuvent aboutir dans les
canaux de rinçage ou encore dans les ilots.
La vitesse du fluide de forage atteint a la
sortie du jet, de pref~rence un ordre de grandeur de lO0
m/s.
Les fortes turbulences ainsi obtenues
favorisent l'~limination des débris de roches et
contribuent a empêcher le rebroyage des débris qui
reduit a la fois la vitesse de penétration de l'outil et
la longevit~ de l'outil.
Blles emp~chent le colmatage de l'outil dans
les terrains tr~s tendres et collants s on estime
également que dans les terrains tres tendres, le fluide
de forage entrant a grande vitesse en contact avec la
roche participe ~ la destruction de celle-ci a condition
que lia~utage soit dirige vers la formation.
Comme lllustr~ aux figures 1 a 3, dans ~n
outil de forage ~ pierres serties, chaque ilot 4
comporte plusieurs pierres cubiques 8, serties par leur
base dans une protub~rance constitu~e d'une portion de
surface 9 en saillie par rapport au niveau de la surface
externe du corps de l'outil.
Dans ce cas, la portion de la surface 9 sur
10 126~317
laquelle sont serties les pierres, est en saillie d'une
hauteur pouvant être ~gale tout au plus, ~ la largeur de
coupe de l'ilot, cette valeur ~tant consid~ree comme
une limite technologique.
Trois pierres cubiques 11 de quatre
millimetres environ, sont serties sur deux rang~es de
manière a assurer un recouvrement complet par ~lot. La
saillie emerge avantageusement d'environ 7 mm de la
surface du corps de l'outil.
Deux pierres 11' dépos~es de front assurent
une largeur de coupe suffisante, par exemple de l'ordre
de grandeur de la largeur de coupe d'une plaquette
traditionnelle de 13,3 mm de diam~tre. Les deux pierres
11' de front sont suivies d'une troisi~me pierre de 11
dispos~e entre les sillages des deux premi~res.
La figure 3 montre que la repartition des
pierres suivant la presente invention 8 ~ inspire de celle
realisee pour les outils plats a plaquettes reparties
dans la mesure o~ les pierres sont disposées en llots
4 isoles et repartis -~uivant des lois semblables a
celles utilisees pour les plaquettes. Chaque ~lot
comprend plusieurs pierres de maniere a assurer, pour
chaque ~lot une largeur de coupe suffisante qui, dans le
cas de l'exemple decrit et de l'ordre de grandeur de la
largeur de coupe des plaquettes utilis~e~r- --
habituellement sur les outils plats ~ plaquettes
rbparties. L'alimentation en fluide de forage est
identique a celle decrite à la figure 2 et donc,
presente egalement les m~mes avantages.
Les fiyures 4 et 5 decrivent en detail une
realisation possible des ilots comportant les elements
~26~3~7
11
de coupe. Dans ce cas, la position de surface 9 sur
laquelle sont serti~ les ~lements de coupe est en
saillie de 7 millim~tres environ par rapport au corps de
l'outil proprement dit 10. Trois pierres 8 sont ser-
ties sur deux rangees de maniere a assurer un recouvre-
ment complet par llot.
Les figures 6 a 11 donnent trois exemples de
positionnement dans la matrice d'un ~lément de coupe
cubique. Ainsi les figures 6 et 7, 8 et 9 ainsi que 10
et 11 sont respectivement des vues en bout et en ~léva-
tion lat~rale des exemples susdits, le sens de défile-
ment de la roche est indique dans les trois cas par la
flèche 12, les figures 6 ~ 9 montrent que l'élément de
lS coupe cubique peut être positionne de manière a présen-
ter une face plane 13 a la roche, l'elbment pénbtrant
le plus profondement dans la roche étant le coin 14 dans
le cas 6 et l'arête 15 dans le cas 7.
Les figures lO et ll montrent que l'~lément
de coupe cubique peut être positionné de manière à
présenter une arête 16 a la roche t dans ce cas,
~ ment p~netrant le plus profondement dans la roche
est obligatoirement le coin 17.
Dans les trois cas, l'element de coupe est
positionné de maniere a présenter un angle de d~pouille
18, gui est g~n~ralement compris entre 5 et 30 degrés,
compt~ positivement comme indiqué par les figure~.
Les figures 12 a 17 sont trois exemples de
positionnement dans la matrice d'un ~lément de coupe
prismatigue à base triangulaire 19.
Ces representations sont semblables ~ celles
12 i;~6~317
des figures 6 a 11 se rapportant aux pierres cubiques,
elles sont donn~es avec les mêmes num~rotations
20,21,22,23,24, ~5, 26.
Les figures 18 a 20 montrent une forme de
realisation possible d'ilots 4 comportant des
plaquettes diamant~es polycristallines 27 brasees sur
des plots de carbure 28 sertis dans le corps 10 de
l'outil de forage 1.
La ~urface 9 sur laquelle sont serties les
plaquettes diamantbes 27 est en saillie par rapport au
corps de l'outil proprement dit d'une hauteur pouvant
être egale au maximum a la largeur de coupe de 1'$1Ot,
cette valeur ~tant considérbe comme une limite
technologique.
Trois plaquettes diamantees traditionnelles
27, par exemple de 13,3 mm de diametre sont serties sur
un tlot 4 emergeant avantageusement de 15 mm de la
surface du corps 10 de l'outil.
La disposition de~ plaquettes 21 sur chaque
ilot 4 et la r~partition des ~lots sont choisies de
maniere a assurer un recouvrement complet de l'llot.
Comme illustr~ aux figures 21 et 22, on place--
par exemple deux plaquettes de front, afin d'assurer une
largeur de coupe d'environ 35 mm. Les plaquettes 21'
diamant~es de front sont suivies d'une troisieme
plaquette 21~ disposee entre le3 sillages des deux
premieres.
A la surface de l'llot peut aboutir un con-
duit d'arrivee de fluide 6 muni d'un a~utage d'injec-
13 12643~7
tion 7 dont l'axe dirigé vers la formation, est ~gale-
ment incliné vers les plaquettes diamant~es, comme
illustr~ aux figures 15 et 16.
La figure 23 montre une forme de répartition
radiale possible des ~léments de coupe cubiques 8. Les
éléments et les ilots 4 sont disposés a des distances
diff~rentes de l'axe de rotation de l'outil. Le dbca-
lage radial entre deux plots successifs est tel que
l'élément de coupe situé ~ l'extbrieur d'un Ilot i est
confondu en projection avec l'~l~ment de coupe situé au
centre sur l'ilot i t 1 et également confondu en
projection avec l'élément de coupe situé à droite sur
l'Ilot i + 2 ; dans ce cas donc, chaque sillage est
parcouru trois fois consécutivement par des éléments
successifs i,i ~ 1 et i t 2.
OD peut évidemment doubler à volonte la
densité des ~léments de coupe en multipliant le nombre
d'$10ts ; en particulier aux endroits particuli~rement
sollicités.
Comme illustré aux figures 24 et 25, les
ilots garnis de plaquettes diamantées peuvent avoir,
principalement dans les outils de grand diamètre, une
extension importante 5 dans ce cas, les ~lots peuvent
atre separ~s par des zones de drainage également
volumineuses.
Dans les terrains très tendres pour lesquels
ces outils sont destin~s en principe, les vitesses
d'avance instantan~es peuvent ~tre très blevées de telle
sorte que les plaquattes diamantées 27, et principale-
ment celles situ~es sur la première rangée de chaque
ilot 4 peuvent devoir arracher un volume énorme de
14
~Zt~4317
matiere et en tout cas beaucoup trop important en regard
de la resistance m~canique de la plaquette diamantee
elle-même ou de son support en carbure de tungstene
fritte. Il s'ensuit qu'on sera amene ~ proteger les
plaquettes diamant~es de ces surcharges temporaire~
potentielles par des surfaces-freins 29 situés devant
les plaquettes diamantees et dont la face sup~rieure 30
est a un niveau inferieur ~ celui de l'arête de coupe
des plaquettes diamantees d'une valeur ~gale ~ la
profondeur de coupe tol~rée. Ces surfaces-freins 29,
comme illustre a la figure 18, sont avantageusement
constitu~es par une surél~vation faite du même carbure
infiltre que le corps de l'outil lui-même et sertie de
pierres, par exemple des cubes polycristallins synthé-
tiques ll d~j~ decrits de manière a augmenter la resis-
tance a l'abrasion par la formation de la surface 42 et
a en diminuer le coefficient de frottement sur cette
même formation ; les surfaces-freins 29 pourront egale-
ment être constituees par exemple de pieces en carbure
de tungstène fritte par du cobalt et comportant ou non
du diamant ou même, si cela s'averait n~cessaire, par
une ou plusieurs rangees de plaquettes diamantees si-
tuees egalement a un niveau inf~rieur par rapport aux
plaquettes principales.
Il est evident que l'invention n'est pas
limit~e a la forme de realisation decrite ci-dessus et
gue de nombreuses modifications peuvent etre apportees
au nombre d'elements de coupe sertis par Ilot, a la
repartition de ces derniers, ainsi qu'au nombre et a la
disposition des a~utages sans pour autant sortir du
cadre de l'invention.
