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CA 02223728 1997-12-23
Outil de forage avec amortisseurs de chocs.
DO~ATN~ DE L'INVENTION
La présente invention concerne un outil de forage qui
est muni de moyens permettant d'amortir les trépidations
dont il est le siège pendant le forage. Ces trepidations,
qui sont générées notamment lorsque l'outil rencontre des
couches hétérogenes ou dures, peuvent parfois entraîner la
destruction ou 1'endommagement de certaines parties
sensibles de l~outil, telles que la structure de coupe.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION
Pour le brevet US 4 253 533, on connalt un outil de
forage selon le préambule de la revendication 1. Cet outil
est muni de deux patins en élastomère disposés
diamétralement et, entre ces derniers, d'une pluralité de
taillants de coupe en ~ nt ou analogue. Lesdits patins
ont une hauteur inférieure à celle des taillants, de sorte
que que seules les extrémités de ces derniers font saillie
par rapport à la surface extérieure des patins. La
pénétration des taillants dans la formation est de ce fait
limitée à une profondeur au plus égale à la hauteur dont ils
dépassent les patins. Les taillants ne subissent donc que
des contraintes tras inférieures à celles qu'ils auraient
subi s'ils pénétraient de toute leur hauteur dans la
formation.
Toutefois, ces patins sont complètement inefficaces pour
amortir les trépidations dont l'outil est le siège lors du
forage.
Par le brevet EP 0 532 869, on connaît un outil de
forage qui présente une cavité dans laquelle débouche un
canal d'amenée d'un fluide d'irrigation, ladite cavité
comportant une paroi de faible épaisseur pourvue d'un
orifice par lequel le fluide peut s'écouler à l'extérieur et
d'une ouverture dans laquelle est serti un élément
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.
cylindrique plat en matière élastomère. Sous l'action de la
pression qu'exerce le fluide d'irrigation dans la cavité,
l'élément en élastomère se déforme à la façon d'une membrane
et sa surface extérieure vient s~appliquer en contact
étanche avec la paroi de la formation fraichement forée, ce
qui a pour effet, dans le cas d'une formation plastique, de
la compacter et de la prot~ger de l'impact du fluide
d'irrigation. On voit qu'ici également, le bloc d'élastomère
n'est pas susceptible dramortir les trépidations de l'outil.
La présente invention propose un outil de forage muni de
moyens amortisseurs qui permettent d'amortir les vibrations
de l'outil et de protéger ainsi les taillants de coupe
contre tout dommage.
L'outil de forage selon l'invention est conforme à la
partie caractérisante de la revendication 1.
De facon surprenante, les plots amortisseurs en
élastomère se sont avérés avoir une bonne résistance vis-à-
vis de l'usure, bien qu'ils travaillent dans des conditions
de contraintes extrêmes, telles qu'une température élevée et
des forces de cisaillement importantes. Cette qualite,
alliée à leur élasticité naturelle, leur permet de bien
amortir les vibrations de l~outil de forage.
D'autres caractéristiques des éléments amortisseurs de
l~invention sont décrites dans les revendications
secondaires.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise a la lecture de la
description détaillée qui va suivre faite en regard des
dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 est une vue en perspective d'un outil de
forage monobloc muni d'éléments amortisseurs selon
l'invention ;
la figure 2 est une vue en coupe agrandie selon la ligne
II-II de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue en perspective d~un outil de
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.
forage tricône muni d'éléments amortisseurs selon
l~invention ;
la figure 4 est une vue en coupe partielle à plus grande
échelle d'un plot en élastomère serti dans l'outil, selon un
premier mode de réalisation ;
la figure 5 est une vue en coupe d'un plot en élastomère
pourvu d'un canal axial ;
la figure 6 montre un plot en élastomère renforcé par un
ressort hélicoïdal ;
la figure 7 représente un plot en élastomère protégé par
une couche anti-abrasive ;
la figure 8 represente un plot en élastomère muni d'une
calotte anti-abrasive ;
la figure 9 montre un plot en élastomère pourvu en son
fond d'une bride pour sa rétention dans un logement
récepteur ;
la figure 10 représente un plot en élastomère fixé dans
une gaine, elle-même retenue dans un logement récepteur au
moyen d'une bague élastique fendue ;
la figure 11 montre un plot en élastomère fixé dans une
gaine qui est vissée dans un logement récepteur ;
la figure 12 montre un élément amortisseur en deux
pièces ;
la figure 13 montre une variante de réalisation de
l'élément amortisseur de la figure 12 ; et
la figure 14 représente un autre mode de réalisation
d'un élement amortisseur en deux pièces.
DESCRIPTION DE~TT.T.~ DE MODES DE REALISATION PREFERES DE
L'INVENTION
L'invention sera expliquée dans le cas de l~outil de
forage monobloc à lames 10 représenté sur la figure 1 et de
l'outil tricône représenté a. la figure 3, mais ce choix
n'est pas limitatif car l'invention s~applique également à
tous les types d'outils de forage monoblocs et à molettes
coniques rotatives.
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De façon connue en soi, l'outil 10 de la figure
comprend une tete de forage 12 munie d'un embout tubulaire
14 fileté extérieurement qui sert à assembler l'outil à un
train de tubes d'entrafnement, non représenté. Autour de la
tête sont formées une pluralité de nervures ou lames 16
séparées par des sillons 18.
Sur la face extérieure 20 de chaque lame sont implantés
une serie de taillants de coupe 26, de tout type connu,
constitués par exemple par des pastilles en ~ nt naturel,
en ~ nt synthétique, en PDC ou en diamant thermostable.
Les taillants sont soit sertis sur la lame, soit portés par
des pédoncules en carbure de tungstène fixés sur l'outil.
Selon l'invention, l'outil est muni d'une pluralité
d'éléments amortisseurs 28 destinés à amortir les
trépidations dont l'outil est le siège lors du forage.
Les élements amortisseurs 28 peuvent être fixés sur une
parti~ quelconque de l'outil, par exemple sur la face
extérieure 20 des lames ou sur la garde de l'outil.
Dans le cas du tricône de la figure 3, les éléments
amortisseurs 28 sont fixés sur les molettes coniques 30, par
exemple entre les taillants 26, ou entre les rangées de
taillants, ou à la périphérie des molettes, ou encore sur
les bras 32 qui portent les molettes.
Chaque élément amortisseur 28 est constitué par un plot
élastomère pouvant avoir toute forme appropriée, par exemple
cylindrique, parallélépipédique, cubique, pyramidale,
tronconique ou sphérique. Le plot est enfoncé sur une partie
de sa longueur à l'interieur d'un logement récepteur form~
sur la surface de l~outil et la partie restante de sa
longueur fait saillie à l~extérieur du logement en formant
une protubérance par rapport à la surface de l~outil.
Comme le montre la figure 2, les plots sont enchâssés à
l'intérieur de gaines 34 en forme de cuvette à fond fermé,
lesdites gaines étant elles-même fixées dans des logements
borgnes 36 formés sur la surface de l~outil. Ils peuvent
également être insérés directement à l'int~rieur du logement
36, sans utilisation de gaine (figure 4).
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,
Les plots ont une hauteur au-dessus de la surface de
l'outil qui peut être égale, inférieure ou supérieure à la
hauteur des taillants au-dessus de la surface de l'outil, de
sorte que leurs sommets peuvent se trouver respectivement au
même niveau, en retrait ou en saillie par rapport aux
sommets des taillants.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, le plot 28
est séparé du fond du logement par une chambre 38. Afin de
permettre un équilibrage de la pression hydrostatique qui
s'exerce sur le plot, et par suite, la libre déformation du
plot, la chambre 38 doit communiquer avec le milieu
extérieur. Cette co~mllnication peut se faire soit par un
canal axial 42 percé dans le plot, soit par un canal 44
percé dans l~outil, soit encore par les deux canaux à la
fois. On améliore ainsi l~élasticité du plot et donc son
pouvoir amortisseur.
La figure 6 représente un plot 28 dans lequel est noyé
un ressort hélicoïdal 46. Ce ressort améliore la résistance
et les performances d'élasticité et d'amortissement du plot.
Le plot de la figure 7 est recouvert sur la surface de
sa partie saillante d~une couche anti-abrasion 48
relativement dure, constituée par exemple en carbure de
tungstène ou par une concrétion ~i~r-ntée. Ce plot a une
plus longue durée de vie que les plots précédents. La couche
48 est fixée au moyen d'une bride annulaire 49 qui
s'encliquette dans une rainure annulaire formée à la partie
supérieure du plot, mais elle peut être fixée également par
collage.
Dans le mode de réalisation de la figure 8, le plot 28
est tronconique et est protégé sur sa partie saillante par
un chapeau anti-abrasion 50, en carbure de tungstène. Le
chapeau peut être lui-même recouvert d'une plaquette en
forme de dôme 51 en PDC. La partie inférieure du plot 28 est
enchâssée à force à l'intérieur d'un logement tronconique de
forme complémentaire formé dan~ une gaine 34.
Le plot représenté à la figure 9 comporte à sa base une
bride périphérique saillante 52 qui vient s~insérer dans une
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rainure circulaire complémentaire formée dans la paroi
latérale du logement 36 au niveau de fond. Le plot est ainsi
retenu contre tout retrait accidentel.
Dans la variante de réalisation de la figure 10, la
gaine 34 est retenue dans le logement 36 par une bague
fendue élastique 54 qui s'insère dans une rainure
périphérique formée à l'entrée du logement.
Un autre moyen de retenir le plot dans le logement est
illustré par la figure 11. Le plot est muni à sa base d'une
bride périphérique 52 et il est logé dans une bague 56
filetée extérieurement et pourvue d'un contre-alésage prévu
pour recevoir la bride. Le montage se fait en introduisant
le plot dans la bague par l'extrémité inférieure de celle-
ci, puis en vissant la bague dans le logement 36. Le plot ne
peut alors plus sortir de son logement.
Dans le mode de réalisation de la figure 12, l'élément
amortisseur est constitué de deux pièces : un bloc en
élastomère 28 de forme cylindrique ou parallélépipédique et
un pion 58 en matière dure, par exemple en carbure de
tungstène, qui prend appui sur le bloc 28. Celui-ci présente
~ mi-hauteur une gorge périphérique 60 qui lui confère une
meilleure aptitude à être comprimé. Le bloc est reçu
l'intérieur d'un boîtier 62 en forme de cuvette, de hauteur
légèrement supérieure à celle du bloc.
2~ Le pion 58 comporte une embase plate 66 de même surface
que le bloc d~élastomère et munie au centre de sa face
supérieure d'un doigt 68 de plus faible section. Lors de
l'assemblage, on enfonce le bloc dans le boîtier jusqu'à ce
qu~il vienne en contact du fond, puis on introduit l'embase
du pion dans le boîtier et l~on rabat par estampage les
bords supérieurs 69 du boîtier sur l'embase. Celle-ci se
trouve alors prise en sandwich entre ledit bord rabattu et
le bloc d~élastomère. Le doigt 68 fait saillie hors du
boîtier à travers un orifice 70 de section légèrement
supérieure à celle du doigt. L'ensemble ainsi formé est
ensuite fix~ sur l'outil.
Dans le mode de réalisation de la figure 13, le boîtier
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est réalisé en deux parties : une bague tubulaire 72 filetee
extérieurement et un fond 74 qui est vissé à l'extrémité
inférieure de la bague.
Dans ce boitier, sont loqés un bloc d'élastomère 28 qui
repose sur le fond 74 et, partiellement, une bille 78 en
acier, en carbure de tungstène ou en matériau ~ nté. Une
portion de bille de volume inférieur à une demi-sphère fait
saillie hors de la bague.
Le ~loc d'élastomère présente sur sa surface supérieure
un siège hémisphérique sur lequel la bille repose. Celle-ci
est retenue en place par un rebord 80 de la ~ague, incurvée
vers l~intérieur.
Dans les deux modes de réalisation précédents, aucune
partie du bloc d'élastomère 28 n'est en contact avec la
roche. Les vibrations de l'outil sont transmises par la
pièce en carbure de tungstène au bloc qui les amortit.
L'élément amortisseur illustré par la figure 14 est
composé de trois pièces. Il comprend une gaine tubulaire 82,
fixée dans le logement 36, un manchon tubulaire en
elastomère 84 qui revet la paroi intérieure de la gaine et
une pièce centrale 86 en acier ou en carbure de tungstène
qui est immobilis~e sans frottement à l'intérieur du
manchon. Celui-ci s'étend sur toute la hauteur de la gaine
et fait légèrement saillie au-dessus de l'extrémité
supérieure de la gaine. La pièce centrale 86 fait saillie à
l~extérieur de la gaine et son extrémite inférieure est
espacée du fond de la gaine.
Comme dans le mode de réalisation de la figure 5, la
chambre 38 qui est formee dans le fond du logement est
reliée ~ l'extérieur, soit directement par un passage axial
42 percé dans la pièce centrale, soit à travers un passage
44 percé dans l'outil.
A la difference des modes de realisation précédents,
l'axe géneral de l'élément amortisseur est incliné du côté
du sens de déplacement f de l'outil. L'avantage de cette
orientation est qu'elle permet de réduire le basculement de
la pièce centrale 86, puisque la force de réaction F qui
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s'exerce sur celle-ci en sens inverse de la flèche f admet
une composante F1 selon llaxe de la pièce 86 et qui n'exerce
donc pas d'action de basculement sur la pièce.
En fonctionnement, la pièce 86 a donc un mouvement
alternatif essentiellement dirigé dans le sens de l'axe du
logement 36. Le manchon 84, qui est serr~ entre une pièce
fixe (la gaine 82) et une pièce mobile (la pièce centrale
86), est de ce fait soumis à des forces de cisaillement
importantes qui amortissent l~amplitude des vibrations de
l'outil.