OUTIL DE FORAGE A JET INCLINE

JETTED DRILLING BIT

French Abstract

PRECIS DE LA DIVULGATION :
L'invention concerne un outil pour le forage ayant un diamètre D, des
dents de hauteur H portées par des molettes, des moyens d'irrigation
adaptés à délivrer au moins un jet fluide d'irrigation par un orifice
calibré, le centre dudit jet à sa sortie dudit orifice étant situé à
une distance d du plan perpendiculaire à l'axe de l'outil passant par
le sommet des dents considérées du côté du front de taille. Selon la
présente invention les grandeurs D, H et d sont telles que d ? 1,8 H
et 0,125 D < d < 0,185 D. Application au forage des sols.

Claims

- 14 -
Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif
de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définis comme il
suit :
1. - Outil pour le forage de trous dans des terrains, compor-
tant:
. un corps d'outil destine à être entraîné en rotation par un
porte-outil, une cavité étant ménagée dans ce corps pour
recevoir à travers le porte-outil un fluide sous pression,
. une pluralité d'organes tournants portés par le corps de
l'outil et munis de dents d'attaque des terrains sur un front
de taille, ces dents ayant une hauteur H, le diamètre dudit
outil étant D,
. des moyens d'irrigation adaptés à délivrer au moins un jet
fluide d'irrigation dirigé vers le front de taille, ces moyens
comportant au moins un orifice calibré implanté sur le
corps de l'outil, communiquant avec la cavité du corps d'outils
et débouchant dans un espace compris entre deux organes
tournants adjacents, ledit orifice calibré étant adapté à
produire un jet fluide dirigé vers l'un des deux organes
tournants entre lesquels est défini ledit espace, le
centre dudit jet à une sortie dudit orifice étant situé à une
distance d un plan perpendiculaire un axe de l'outil passant
par un sommet des dents considérées du côté du front de taille,
caractérisé en ce que D, H et d sont telles que:
d ? 1,8 H et
0,125 D ? d ? 0,185 D
2. - Outil selon la revendication 1, pour lequel lesdits moyens
d'irrigation comportent un prolongateur portant ledit orifice calibré,

- 15 -
ledit prolongateur étant à une distance minimum t dudit plan
perpendiculaire, caractérisé en ce que les grandeurs D, H et t sont
telles que:
t ? 1,5 H et
0,1 D < t < 0,15 D
3. - Outil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce
que lesdits moyens d'irrigation comportent au moins deux orifices
calibres adaptés à produire des jets fluides respectivement dirigés
vers les deux organes tournants entre lesquels est défini ledit
premier espace
4. - Outil selon la revendication 3, pour lequel les moyens
d'irrigations comportent au moins une buse d'irrigation supportant
ledit ou lesdits orifices calibrés.
5. - Outil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en
ce que le jet fluide produit par ledit orifice a une orientation
sensiblement tangentielle à une surface extérieure desdits organes
tournants.
6. - Outil selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les
organes tournants ont sensiblement une forme conique, caractérisé en
ce que ledit orifice est constitué par des fentes sensiblement
parallèles à une génératrice d'un desdits organes tournants.
7. - Outil selon la revendication 1 ou 2, comportant trois
organes tournants définissant trois espaces compris entre deux organes
tournants adjacents, caractérisé en ce que seulement deux desdits
espaces sont équipés d'orifices calibrés.
8. - Outil selon la revendication la revendication 1 ou 2, pour lequel
ledit orifice est supporté par une buse, caractérisé en ce que le jet

- 16 -
produit par ledit orifice possède un axe ayant un angle avec ledit plan
compris entre 15 et 45°.
9. - Outil selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit angle
est de 30°.
10. - Outil selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit
orifice a une forme de fente dont deux des parois définissant l'inté-
rieur de ladite fente appartiennent à deux plans faisant entre eux
sensiblement un angle de 15°.
11. - Outil selon la revendication 1, caractérisé en
ce qu'il comporte deux orifices calibrés situés de part et d'autre
d'un plan sensiblement parallèle à l'axe de l'outil.
12. - Outil selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits
orifices sont adaptés à produire chacun un jet orienté vers ledit organe
tournant et dirigé vers le front de taille et en ce que lesdits orifices
sont adaptés à produire des jets décalés l'un par rapport à l'autre.
13.- Outil selon la revendication 11 comportant deux autres organes
tournants, caractérisé en ce qu'il comporte deux autres orifices
calibres chacun desdits orifices étant adapté à produire un jet dirigé
vers le front de taille et vers l'un desdits autres organes tournants
respectivement.
14.- Outil selon la revendication 13, caractérisé en ce que chacun
desdits jets produits par lesdits autres orifices est orienté
sensiblement à 60° par rapport à un plan défini par les deux organes
tournants les plus proches dudit orifice.
15. - Outil selon la revendication 11, caractérisé en ce
que l'un desdits jets décales fait un angle voisin de 30° par rapport
au plan défini par les deux organes tournants les plus proches dudit
orifice.

- 17 -
16.- Outil selon la revendication 15 caractérisé en ce que l autre
jet décalé fait un angle voisin de thêta thêta étant défini par :
tg (Thêta) = <IMG>
ou D correspond au diamètre de l'outil et e correspond à la distance
séparant ledit orifice de la circonférence du trou.

Description

1306Z~2
La presente invention concerne un outil de forage. Plus
particulièrement, mais sans que cela soit limitatif, la présente
invention se rapporte à un outil ou trépan de forage pouvant etre fixé
à l'extrémité inferieure 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 etre des molettes coniques
tournant autour de roulements dont les axes sont inclines par rapport
à l'axe central de l'outil.
Par le passé, Les performances de tels outils, utilises pour le forage
des terrains, ont été ameliorées par l'action simultanée de jets de
fluide de forage qui frappent le fond du trou, ou front de taille,
dans chacun des espaces 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
(cuttings) 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 situé notablement au-dessus du niveau
des molettes. Il en résulte qu'avant d'atteindre le front de taille,
les jets traversent le fluide de forage charge en déblais qui remplit
le fond du trou foré. De ce fait, la vitesse d'écoulement des jets au

1~0624~
-- 2 --
niveau de front de taille est considérablement ralentie, ce qui reduit
leur efficacite. De plus, les jets entraînent une partie du fluide de
forage chargé en deblais 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 zone de
contact entre l'outil et le front de taille où sont produits les
déblais n'est pas suffisamment irriguée par le fluide de forage.
Diverses modifications ont ete proposées, en particulier les outils du
types indiqué ci-dessus ont été modifiés pour que les jets de fluide
de forage debouchent aussi près que possible du front de taille et,
parfois même, un jet axial a eté ajouté. Néanmoins, ces
perfectionnements n'ont pas donné entièrement satisfaction : le
rebroyage des déblais n'a pas pu etre supprimé, pas plus que la
surpression au niveau du front de taille.
Dans un second type d'outil selon l'art anterieur, on a propose
d'utiliser, en combinaison avec les moyens d'irrigation constitues par
des jets de fluide, des moyens d'aspiration du fluide chargé en
déblais, ces moyens comportant un jet dirigé en sens oppose à celui de
la progression de l'outil.
.
De tels outils sont notamment décrits dans les brevets français
2.378.938, 2.421.270 et 2.421.271.
La présente invention propose un outil du premier type ci-dessus
défini, qui, par sa conception, est de realisation simple et robuste,
tout en ayant des performances d'utilisation considérablement accrues
par rapport aux outils du meme type et qui se rapprochent de celles du
deuxieme type, alors qu'ils ne comportent pas de jets d'aspiration.
L'outil pour le forage de terrains comporte, selon la présente

1306~
-- 3 --
invention :
. un corps d'outil destine à être entraîne en rotation par un
porte-outil, une cavite étant ménagée dans ce corps pour
recevoir à travers le porte-outil un fluide sous pression,
s
. une pluralite d'organes tournants portes par le corps de
l'outil et munis de dents d'attaque des terrains sur un front
de taille, ces dents ayant une hauteur H, le diametre dudit
outil etant D,
. des moyens d'irrigation adaptes à delivrer au moins un jet
fluide d'irrigation dirige vers le front de taille, ces moyens
comportant au moins un premier orifice calibré implanté sur le
corps de l'outil, communiquant avec la cavité du corps d'outils
et débouchant dans un espace compris entre deux organes
tournants adjacents, ledit orifice calibré étant adapté à
produire un jet fluide dirige vers l'un des deux organes
tournants entre lesquels est defini ledit premier espace, le
centre dudit jet à sa sortie dudit orifice étant situé à une
distance d du plan P perpendiculaire à l'axe de l'outil passant
par le sommet des dents considérées du côté du front de taille.
Selon la présente invention les grandeurs D, H et d sont telles
que
d ~ 1,8 H et
0,125 D ~ d ~;0,185 D
Lorque l'outil selon l'invention comprend des moyens d'irrigation qui
comportent un prolongateur portant l'orifice calibré, le prolongateur
etant a une distance minimum t du plan P, alors les grandeurs D, H et
t peuvent être telles que :
t ~1,5 H et
0,1 D < t ~ 0,15 D

13~6X4~
Les moyens d'irrigation pourront comporter au moins deux orifices
calibrés adaptes à produire des jets fluides respectivement dirigés
vers les deux organes tournants entre lesquels est défini le premier
espace.
Les moyens d'irrigations pourront comporter au moins une buse ou duse
d'irrigation comportant le ou les orifices calibres.
Le jet de fluide produit par l'orifice pourra avoir une orientation
sensiblement tangentielle à la surface extérieure des organes
tournants.
Les organes tournants pourront avoir sensiblement une forme conique,
et l'orifice pourra etre constitue par des fentes dont la direction
d'allongement pourra etre sensiblement parallèle à une genératrice
d'un organe tournant.
L'outil selon l'invention pourra comporter trois organes tournants
definissant trois espaces compris entre deux organes tournants
adjacents, et pour lequel uniquement deux des espaces pourront etre
equipes d'orifices calibres, un seul de ces espaces etant exempt de
tout orifice d'injection de fluide.
L'axe du jet produit par l'orifice, lorsque celui-ci est supporté par
une duse, pourra faire un angle compris entre 15 et 45 avec le plan
P et prétérentiellement un angle égal à 30.
Lorsque l'orifice d'injection a une forme de fente, deux des parois
definissant la forme interne de cette fente pourront appartenir à deux
plans faisant entre eux un angle de 15.
Selon une variante l'outil peut comporter deux orifices calibres
situes de part et d'autre d'un plan sensiblement parallele à l'axe de
l'outil, contenant sensiblement l'axe de rotation d'un organe

~3062~
-- 5 --
tournant. Ces or;f;ces pourront être adaptes a produire chacun un jet
orientes vers l'organe tournant et dirigés vers le front de taille. De
plus ces orifices pourront etre adaptés a produire des jets decales
l'un par rapport à l'autre.
L'outil pourra comporter deux autres orifices calibres chacun desdits
orifices étant adapté à produire un jet dirigé vers le front de taille
et vers l'un desdits autres organes tournant respectivement.
Chacun des jets produit par les autres or;fices pourra être orienté
sensiblement à 60 par rapport a l'axe median défini par les deux
organes tournant les plus proches dudit orifice.
L'un des jets decales pourra faire un angle voisin de 30 par rapport
a l'axe median défini par les deux organes tournant les plus proches
de cet orifice.
L'autre jet decalé pourra faire un angle voisin de thêta, thêta etant
defini par :
~
tg(theta) = 3 4e
- _
où D correspond au diamètre de l'outil comme cela à dejà et e
correspond à la distance separant ledit orifice de la circonference
du trou.
L'outil selon la présente invention est particulierement bien adapte
pour le forage des terrains tendres et collants.
L'invention pourra etre bien comprise et tous ses avantages
appara;tront clairement a la lecture de la description qui suit,

1~062~2
illustree par Les figures annexees dans lesquelles :
- la figure 1 represente, vu de dessous, l'outil selon l'invention;
- la figure 2 illustre schématiquement les grandeurs ayant une
importance pour l'obtention de bonnes performances de l'outil;
- les figures 3 et 4 montrent l'outil vu en coupe, respectivement
selon les lignes X'X et Y'Y de la figure 1,
- la figure 5 illustre schematiquement la configuration d'un orifice
calibré avec son conduit amont,
- la figure 6 représente un mode de réalisation particulièrement
efficace pour l'enlèvement des déblais, et
- les figures 7 à 11 montrent les différentes variantes de réalisation
et de fixation des duses;
L'outil represente sur les figures est composé d'un corps 1 muni de
trois bras 2, 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 3, 4 et 5 tournant sur
des roulements non représentes et dont les axes sont inclinés par
rapport a l'axe 6 de l'outil qui correspond a la direction
d'avancement de lloutil. Chacun de ces organes tournants, qui peut
être de tout type connu, comporte des dents, comme representé aux
figures 1 et 2, capables d'attaquer les terrains au niveau du front de
taille. La hauteur H, figure 2, désigne la hauteur des dents.
ba partie supérieure 7 du corps 1 (fig. 3 et 4~ est filetée pour
assurer le raccordement de l'outil à un élément porte-outil qui
l'entraîne en rotation.

13Q6~4X
Ce porte-outil, designé par la reference 8 (cf. figure 4), peut être
constitué par la colonne de forage dans le cas du forage rotary.
Lorsque l'outil est directement entra;né en rotation par un moteur de
fond, le porte-outil sera constitué par le rotor de ce moteur.
Dans le corps 1 de l'outil est menagee une cavité 9 qui communique
directement avec la canalisation interieure de la colonne de forage.
Le corps de l'outil est pourvu de buses 10a et 11a ayant des orifices
calibrés (10b, 10c, 11b et 11c) qui communiquent avec la cavité 9 par
les passages 15 et 16. Les buses 10a et 11a sont placées dans deux
espaces libres 10 et 11 entre les molettes, en étant de préférence
situées sensiblement dans les plans bissecteurs de ces espaces. Les
couples d'orifices (10b, 10c ; 11b, 11c) sont placés de telle sorte
que, pendant le fonctionnement de l'outil, le fluide qui alimente la
cavité 9 s'échappe par ces orifices (10b, 10c ; 11b, 11c) en formant
deux paires de jets d'irrigation qui s'écoulent dans deux espaces
libres 10 et 11 compris respectivement entre les organes tournants 4
et 5, 3 et 5 et dans un sens ayant une composante dirigée dans le sens
de progression de l'outil en fonctionnement.
La référence 12 désigne le troisième espace libre compris entre les
organes tournants 3 et 4 qui est exempt de tout orifice d'injection
(cf. figures 1 et 4).
On dispose ainsi d'une zone de degagement de la boue chargee de
déblais qui est évacuée rapidement du front de taille.
Les déblais sont ainsi evacués du front de taille aussitot qu'ils sont
formés et, dans ces conditions, l'outil de forage reste propre en
permanence, ce qui permet des vitesses de forage accrues et augmente
la longevité des organes de l'outil (dentures, paliers, etc...). Ceci

130~ 42
est symbolisé par les fleches 17.
Ainsi que le montre la figure 3, Il peut être avantageux, que
l'alimentation en fluide des orifices calibres (10b, 10c ; 11b, 11c),
à partir de la cavite 9 se fasse par des conduits conçus de manière à
reduire le plus possible les pertes de charges du fluide notamment par
un raccordement tangentiel à la paro; de la cavité 9.
Dans l'exemple de realisation illustre dans les figures, les orifices
calibrés (10b, 10c ; 11b, 11c~ sont constitués par les orifices des
buses 1Oa et 11a respectivement.
Les differents orifices peuvent etre orientés de telle sorte que les
jets de fluide qui sortent de ces orifices atteignent les organes
tournants dans le voisinage immediat du front de taille. Autrement
dit, les axes des jets sortant des orifices calibrés peuvent etre
sensiblement tangents aux organes tournants.
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 2.
Dans ces conditions, pour obtenir une efficacite maximale des jets
d'irrigation, chacune de ces fentes est sensiblement parallele à la
géneratrice de l'organe tournant atteinte par le jet de fluide, et
agencee de facon que le jet agisse sur la plus grande longueur
possible de cette géneratrice.
D'excellents résultats peuvent être obtenus en respectant les
conditions suivantes :
A ¦ d ~ 1,8 H et
¦0,125 D ~d < 0,185 D

~306;~42
_ 9 _
ou/et
t ~ 1,5 H et
¦ 0~1 D ~ t ~ 0,15 D
Les differentes lettres figurant dans les équat;ons ci-dessus
correspondent aux définitions ci-dessous qui sont illustrées par la
figure 2.
d : distance qui sépare le centre 18 d'un orifice de sortie 10b du
plan P perpendiculaire à l'axe de l'outil 6 et qui passe par le
sommet 19 des dents les plus proches du front de taille;
H : représente la hauteur des dents 20;
D : représente le diametre de l'outil. Sur la figure 2, on a
representé D/2 qui correspond au rayon de l'outil, et
t : la distance minimum entre la base de la buse ou du prolongateur et
le plan P.
La figure 5 représente la section d'un orifice calibré 10b. Cet
orifice est connecté à un conduit 21 ayant un axe central 22
debouchant en 18 au niveau de l'orifice 10b.
Les orifices 10b, 10cr 11b et 11c peuvent avoir une forme de fente,
comme représente à la figure 2.
Les plans 23 et 24 définissant les parois du conduit 21 pourront faire
entre eux un angle alpha (en lettre grecque sur la figure 5) faible,
par exemple sensiblement voisin de 15.
L'angle bêta (en lettre grecque sur la figure 5) que fait l'axe 22 du
conduit 10b, cet axe correspondant sensiblement à l'axe du jet, avec
le plan P pourra etre avantageusement compris entre 15 et 45 et

~306242
-- 10 --
préférentiellement égal a 30.
Lorsqu'une buse comporte deux orifices calibrés, les axes centraux de
ces orifices pourront faire, avantageusement, entre eux un angle de
120 .
s
~;en entendu, les buses sont fixées de facon interchangeable et elles
seront choisies par l'utilisateur en fonction du débit et de la
pression du fluide d'irrigation.
Des modifications pourront être apportees sans pour autant sortir du
cadre de La présente invention. Par exemple, comme le montre la figure
3, les buses d'irrigation telles que 10a pourront être portees par un
prolongateur 13 fixé au corps de l'outil par tout moyen connu, tel
qu'un clavetage ou un filetage 14. Ce prolongateur pourra faire partie
integrante du corps de l'outil.
La figure 6 montre un mode de réalisation de l'outil particulierement
favorable a l'évacuat;on des debLais. Cette figure correspond a une
vue par dessus du front de taille.
La fleche 25 correspond au sens de rotation de l'outil.
Ce mode de réalisat;on est décrit sur la base d'un outil comportant
trois organes tournant qui sont des cones 26, 27 et 28.
La figure 6 montre un mode de réalisation de l'outil particulièrement
favorable a l'évacuation des déblais. Cette figure correspond à une
vue par dessus du front de taille.
La fleche 25 correspond au sens de rotation de l'outil.
Ce mode de realisation est décrit sur la base d'un outil comportant
trois organes tournant qui sont des cones 26, 27 et 28.
Les axes de rotation des cônes sur eux-mêmes sont désignes
,

~301624~
- 11 -
respectivement par les réferences 29, 20 et 31.
Les réferences 32 et 33 désignent deux cluses comportant chacune deux
orifices de forme oblongue respectivement 32b, 32c et 33b, 32c placées
de part et d'autre du cône 26.
Les jets 34, 35, 36 et 37 produits par les orifices calibres 32b, 32c,
33b et 33c pourront être inclines à 60 (valeur moyenne par rapport à
l'axe du tube d'amenee au prolongateur du fluide lequel est parallele
a l'axe de l'outil) ceci correspond à l'angle gamma sur la figure 5.
De préférence chaque jet pourra être tangent au cône qu'il asperge, au
contact de l'outil et de la roche.
Dans le mode de realisation de la figure 6 l'orientation des jets dans
un plan normal a l'axe de l'outil au niveau du front de taille est la
suivante, chaque duse 32, 33 possède 2 orphees dont un 32b et 33b
respectivement est oriente à environ 60 par rapport à l'axe médian
38 et 39 respectivement des deux cônes 26, 28 et 26, 27
respectivement, vers l'espace intercône 40 ne comportant pas de duses
(espace compris entre les cônes 27 et 28 sur la figure 6).
En ce qui concerne les autres orifices 32c et 33c de chaque duse 32 et
33 respectivement, pour celui 32c situe entre les cônes entre les
cônes 26 et 28, l'orientation du jet est à environ 30 de manière à
nettoyer les dents du cône 26 situées près du centre de l'outil,
l'angle de 30 est a considérer par rapport à l'axe médian 38 des
cônes 26 et 28.
Pour l'orifice 33c situé entre les cônes 26 et 27, l'orientation du
jet est realiser suivant un angle Thêta defini par :
tg(Thêta) = 1 ~e
_ __

1306~9L~
- 1Z -
de maniere a nettoyer efficacement le diamètre exterieur du trou en
cours de forage, et les dents ou lames ou picots extrêmes du cône 1, e
correspond à la distance qui sépare le centre de l'orifice calibre 33c
de la circonference de l'outil.
D est le diametre de l'out;l comme cela a dejà ete ;ndiqué.
L'angle Theta est à considérer par rapport à l'axe médian 39 des cônes
26 et 27.
Si l'espace 40 entre les cônes 27 et 28 (selon fig. 1) comporte une
duse celle-ci sera bouchee, ou l'emplacement sera evide et organisé de
manière a favoriser un bon retour des déblais vers l'annulaire.
L'outil pourra etre équipé d'une duse centrale pour un bon nettoyage
du dome et du centre de l'outil.
Les duses 41 (figure 7) pourront être fabriquées en carbure. Elles
pourront etre placees a l'intérieur des tubes prolongateurs 42, afin
d'assurer une protection contre les chocs.
La forme intérieure 43 est dans la partie inferieure, de forme conique
ou parabolo;de de révolution, de façon a assurer une continuite
parfaite de l'écoulement entre le tube et la duse.
La figure 8 represente un mode de realisation de la duse 32 et la
figure 9 de la duse 33. Dans ce mode de réalisation l'angle Thêta fait
72 . La réference 44 désigne un repere de fixation.
La fixation des duses dans les tubes prolongateurs peut se faire soit
3D par brasage (duses non récuperables) soit mecaniquement (duses
amovibLes).
La figure 10 représente une duse amovible 45. L'etanchéite de cette
duse au tube prolongateur est assurée par un joint torique 46.
,

~30~2~2
- 13 -
Deux clavettes 47 et 48 (fig. 11) permettent de fixer la duse en
position transervale suivant l'axe médian, une vis de blocage 49 avec
teton peut assurer une securite de positionnement et evite tout
phenomène vibratoire.
Cette vis avec teton prend appui sur une rondelle 50 en néoprene (ou
tout autre elastomère) afin d'assurer les fonctions de frein, de
devissage et de fluage de l'élastomère après serrage, engendre un
calage du teton dans le logement dans la duse.

Representative Drawing