Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
WO 97/00372 PCT/FR96/00861
Taillant d'outil de forage monobloc.
La présente invention concerne des éléments de coupe ou
taillants destinés à@tre fixés sur les outils de forage
monoblocs utilisés dans le forage de formations rocheuses,
par exemple dans les puits pétroliers, ou dans le forage du
ciment.
= Un taillant classique 10, tel qu'illustré dans la figure
1 ci-jointe comprend généralement un support 12 en forme de
plot cylindrique réalisé en carbure métallique cémenté, par
exemple en carbure de tungstène, et pourvu à une de ses
extrémités d'une surface plane inclinée 14 sur laquelle est
fixée, par exemple par brasage, une couche en forme de
plaquette 16 formée à partir d'un mélange de fines
particules de diamant polycristallin ou PDC, de poudre de
cobalt et de carbure de tungstène. Ledit mélange est soumis
à une pression et à une température très élevées, ce qui
provoque son frittage et sa liaison avec le support. Les
taillants ainsi fabriqués sont ensuite fixés sur la tête de
l'outil 18 de forage, par exemple par sertissage dans des
trous borgnes 20 pré-percés sur la tête.
Un taillant de ce type est décrit par exemple dans les
brevets US 4 073 354, 4 098 353 et 4 156 329. En
fonctionnement, le taillant 10 est positionné par rapport à
la formation rocheuse 22, comme représenté sur la figure 1:
la face plate libre 24 de la plaquette 16 fait avec la
normale N à la surface 25 de la formation rocheuse un angle
aigu a, orienté dans le sens contraire au sens de
déplacement F du taillant, de sorte que la plaquette 16
attaque la formation par sa face plate 24.
Ce taillant a un mode de fonctionnement par compression
de la face diamantée, c'est-à-dire que, comme le montre la
{ figure 1, la roche exerce une pression sur la face plate
diamantée 24. Il se forme un copeau de roche 26 qui se brise
devant ladite face. Si la roche est fragile, il se produit
une rupture de copeau par broyage avec accumulation de
petits débris devant la face de la plaquette. L'empreinte du
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taillant sur la roche aura une forme complémentaire de la
partie inférieure du taillant. Par exemple, dans le cas d'un
taillant cylindrique, l'empreinte sera en forme de secteur
de cylindre. Le taillant doit donc être suffisamment
résistant pour attaquer la roche frontalement sur toute
l'étendue de ladite zone en forme de secteur de cylindre. on
conçoit que la coupe pourra être faite avec une bonne
efficacité dans le cas de formations rocheuses tendres à mi-
dures, mais beaucoup moins efficacement dans le cas de
formations dures, en raison de la force considérable qui
serait nécessaire pour casser la roche simultanément sur
toute l'étendue de ladite zone.
De plus, ladite force entraîne généralement des
phénomènes vibratoires néfastes pour la durée de vie de
l'outil.
La présente invention a pour objet de remédier à ces
inconvénients et à cet effet elle concerne un taillant
d'outil monobloc pour le forage d'une formation rocheuse, du
type comprenant un support en carbure métallique cémenté,
fixé sur l'outil et auquel est liée, par exemple par
brasage, une plaquette en forme de disque cylindrique formée
à base de particules de diamant polycristallin et pourvue
d'une paroi latérale et d'une face libre sensiblement plate,
ledit taillant étant caractérisé en ce que la plaquette est
positionnée de manière que le plan de sa face plate fasse
avec la normale à la surface de la formation rocheuse un
angle aigu, orienté dans le même sens que le sens de
déplacement de l'outil, de sorte que la plaquette attaque la
formation rocheuse par sa paroi latérale.
cette position de la plaquette, qui est sensiblement à
901 par rapport à celle qu'elle a dans le taillant classique
de la figure 1, est tout à fait surprenante, car elle fait
travailler la face plate de la plaquette en cisaillement.
Ceci est révolutionnaire et va à l'encontre des idées
habituellement acceptées dans le métier selon lesquelles une
plaquette doit toujours subir une compression, comme dans le
cas de la figure 1, car si elle subit un cisaillement, elle
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= 3
risque d'être détruite prématurément. Toutefois, les récents
progrès réalisés dans le domaine des plaquettes en PDC
(réduction des contraintes résiduelles, amélioration de la
résistance aux chocs, meilleure résistance à la température
et meilleure maîtrise de la qualité) permet à présent de
faire travailler les plaquettes de manière qu'elles
subissent un cisaillement, sans que cela entame leur durée
de vie.
Cette position entraine en outre toute une série
d'avantages importants :
- elle permet d'utiliser des angles d'attaque plus
agressifs et donc plus performants, en inclinant la
plaquette "presque à plat" sur la surface de la formation ;
- la plaquette travaille non plus avec sa face libre en
contact avec le copeau, mais avec sa paroi latérale
cylindrique (tout le long de son épaisseur) au contact avec
la formation. Le copeau qui. se forme n'est donc plus en
contact avec la face plane mais avec la paroi cylindrique
de la plaquette. Il en résulte que la plaquette réalise la
rupture de la roche non seulement par cisaillement mais
également par poinçonnement ;
- la distribution des forces se fait radialement sur la
paroi cylindrique de la plaquette, ce qui a pour effet de
réduire le phénomène vibratoire de l'outil ;
- l'épaisseur de la couche diamantée qui subit les
efforts de coupe n'est plus de quelques dixièmes de
millimètre, comme c'est le cas de la plaquette de la figure
1, mais de plusieurs millimètres. La durée de vie de la
plaquette est donc notablement augmentée.
L'invention sera décrite à présent en détail en regard
des dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 est une vue en coupe d'un taillant selon la
technique antérieure, serti dans un outil de forage monobloc
qui n'est représenté que partiellement ;
la figure 2 est une vue en coupe d'un taillant selon
l'invention ;
la figure 3 est une vue en coupe d'un taillant selon un
jf ~?~1
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4 =
second mode de réalisation de l'invention
la figure 4 est une vue en coupe d'un taillant selon un
troisième mode de réalisation de l'invention ; et
la figure 5 est une vue en coupe d'un taillant selon un
quatrième mode de réalisation de l'invention.
Le taillant 28 de l'invention illustré par la figure 2
comprend un support cylindrique 30 en carbure de tungstène
cémenté, fixé dans un trou borgne 20 percé dans l'outil
monobloc 18. il présente une face plate inclinée 32 sur
laquelle est fixée, par brasage ou autre, une plaquette 34
en PDC en forme de disque cylindrique.
Selon une caractéristique importante de l'invention, la
face libre 36 de la plaquette fait avec la normale N à la
surface 25 de la formation rocheuse un angle aigu a orienté
dans le même sens que le sens de déplacement F du taillant.
Comme on l'a souligné précédemment, cette position est
inhabituelle dans le domaine des outils de forage monoblocs
où l'angle a que fait la face libre de la plaquette avec la
normale N est orienté dans le sens contraire au sens de
déplacement de l'outil.
La position de la plaquette selon la figure 2 est
pratiquement à 90 par rapport à celle de la figure 1 et
permet de travailler avec des inclinaisons Pde la face 36
"presque à plat" par rapport à la surface 25 de la formation
38. La roche peut ainsi être attaquée sous des angles plus
agressifs que dans le cas des taillants de la technique
antérieure. Avantageusement, l'inclinaison (3 peut varier
entre 0 et 25 .
Comme on le voit sur la figure 2, la plaquette travaille
avec sa paroi latérale cylindrique 40 sur toute son
épaisseur. Elle opère donc un poinçonnement de la roche à
son point le plus bas P en même temps qu'un cisaillement.
Dans le taillant que l'on vient de décrire, la plaquette
34 a une épaisseur uniforme et pour des raisons d'économie,
son épaisseur est relativement faible, de l'ordre de 0,5 à
~ 19735 1.
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= 5
1 mm. L'épaisseur de coupe h sera donc également faible. Le
taillant selon ce mode de réalisation servira donc
essentiellement à travailler les terrains mi-durs à durs.
Selon l'invention, on peut obtenir des profondeurs de
coupe nettement plus importantes avec une même quantité de
PDC et donc une même dépense, en utilisant le taillant selon
la figure 3. Sur la surface inclinée du support 30 de ce
taillant sont formées une série de rainures rectilignes
parallèles 44 qui s'étendent dans la partie centrale de
ladite surface. Ces rainures définissent entre elles des
nervures 46 et elles aboutissent à une rainure périphérique
48 disposée à la périphérie de ladite surface. La rainure 48
peut être plus profonde que les rainures centrales 44. Sur
la surface du support on fait adhérer une mince couche
diamantée 50 qui remplit toutes les rainures 44, 48 et qui
dépasse légèrement le sommet des nervures.
Ainsi, le maximum de quantité de PDC est concentré dans
la portion périphérique du taillant. On pourra donner à la
rainure périphérique une profondeur beaucoup plus grande que
l'épaisseur des plaquettes standards. Les outils sertis avec
de tels taillants pourront forer une plus grande gamme de
duretés de terrain. De plus, ces taillants auront une plus
grande durée de vie que ceux de la figure 1.
Il va de soi que les nervures et les rainures
rectilignes peuvent être remplacées par tout relief en
saillie et en creux.
Dans la variante de réalisation de la figure 4, il n'y a
plus de fine couche diamantée sur l'ensemble de la face du
taillant, mais seulement un anneau 52 en PDC disposé dans
une rainure périphérique 54 formée sur la surface inclinée
du support. La face libre de l'anneau vient à l'affleurement
de l'âme centrale 56 en carbure de tungstène.
L'anneau 52 peut être encore plus épais et plus haut que
dans le mode de réalisation de la figure 3. L'outil muni de
tels taillants pourra donc forer des formations allant des
plus tendres aux plus dures.
Un autre avantage de ce taillant réside dans le fait que
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l'âme 56 en carbure de tungstène peut étre percée d'un trou
58 pour y placer une vis au moyen de laquelle le taillant
peut être fixé sur le corps de l'outil.
Dans la variante de réalisation de la figure 5, le
taillant est tronconique et présente comme dans le mode de
réalisation de la figure 4 un anneau 60 en PDC à la
périphérie de sa grande base. La paroi latérale de l'anneau
est confondue avec la paroi tronconique du taillant. Lorsque
ce taillant est positionné conformément à l'invention,
c'est-à-dire avec sa grande base "presque à plat" par
rapport à la surface de formation, on peut obtenir une coupe
de la roche avec un angle d'attaque â~positif. On rappelle
que l'angle d'attaque est l'angle que fait la paroi latérale
tronconique 62 de l'anneau avec la normale à la surface de
la formation rocheuse. Il est bien connu dans la mécanique
classique que ce type de taillant peut donner d'excellents
résultats lorsque les matières à couper deviennent
plastiques. De plus, ce taillant permet une grande vitesse
de pénétration de l'outil. Ici_ aussi, le taillant peut être
fixé sur le corps de l'outil monobloc au moyen d'une vis.
