Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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La prtsente invrntion concerne un outil de forage. Plus particuliè-
remr-nt, mais sans que cela 50it limitatif, la présen-te inventior, se rapporte
à un outil ou trtpan de forage pouvant être fixé à l'ex-trémité inférieure
d'une colonne de forage. L'outil selon l'invention est d'un type comportant
plusieurs organes tournants munis d'éléments taillants, ces DrganeS pouvant
être des mulettes 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 terrains ont été amél:iorées par l'action sirr,ultanée de jets de fluicle deforage qui frappt3nt le fond du trou, ou front de taille, dans chacun des espaces
libres entre les organes dtattaques des -terrains. Au niveau de l'outil, ce
fluide de forage doi-t avoir comme fonction; essen-tirl]es de refroidir l'outil,de nettoyer cet outil ainsi qur lr front de taille, et d'évacuer rapidemrnt les
dëblais (cuttings) vers l'espace annulaire compris entrE la colonne de forage
et la paroi t!u trou foré.
Dans un premirr typr d'outi~s st-~lon l'art antérieur, les jets de
fluide débouchtnt à un endroit situé notablemerlt au-drssus ùu niveau des rno-
lettes. Il en rcsulte qu'avant d'atteindre le front de taille, les jets tra-
versent le fluide de forage charyé en deblais qui rr-~mplit le fond du trou foré.
De ce fait, la vitsssr d'écoulement des jets au niveau du frorlt de taille rst
cDnsidtrablement ralentie, ce qui réduit leur tfficacité De plus, les jets
entraîr~ent 'unr partie du fluide de forage chargé en déblais vers le front detaille où les déblais sont rebroyés par l'outil dont le rendement est ainsi
diminué. Par ailleurs, les jets ds fluide créent sur le front de taille une
surpression qui comprime ies terrains et l'on constate que la zone de con-tact
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 été proposées, en particulier les outils
~du type indiqué ci-dessus on-t été modifiés pour que les jets de fluide de
;30 forage débouchent aussi près que possible du front de taille et, parfois mêrne,
un jet axial a été ajouté. Néanmoins, ces perfectionnernents 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'utiliser, en combinaison avec les moyens d'irrigation constitués par des
jets de fluide, des moyens d'aspiration du fluide chargé en déblais, ces
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moyens comportant un jet dirigé en sens opposé à celui de la progression de
l'o~til.
Ainsi, l'outil décrit dans le brevet U5 3 111 179 comporte des jets
d'irrigation placés entre les molettes de l'outil, et des jets d'aspiration
alimentés par des canaux prévus dans les bras de l'outil qui portent les mo-
lettes. Outre le fait que les jets d'irrigation débouchent trop loin du front
de taille et présentel-lt les inconvénients déjà indiqués précédemment, la posi-tion des jets d'aspiration est telle que le fluide éjecté frappe la paroi du
puits, d'où des rlsques de destruction de cette paroi ce qui, bien entendu,
neutralise dans una large mesure l'action o'aspiration du jet. De plus, l'espa-
cement des orifices des jets d'aspiration et des orifices d'irrigation, mesuré
dans la direction de l'axe de l'outil, est faible et cela diminue forternent
l'action des jets d'irrigation.
Le brevet US Z 776 115 décrit un outil tricône mettant en oeuvre un
seul jet d'irrigation et dsux jets d'aspiration. Le jet d'irrigation est inclinevers le centre du front de taille, c'est-à-dire dans la zone où concourent les
axes drs molrttes ainsi que les espaces libres rntre ces rnolrjttes. 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 drnts des
moiettes.
Par suite, les performances des outils décrits dans ces deux brevets
amér;cains ne sont pas notablement supérieures à celles des outils du premier
type, ce qui explique qu'ils n'aient pas connu de développement industriel.
Le brevet français 2 277 965, 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
exemple 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 qui par sa conception ne pré-
sente pas les incDnvénients indiqués précédemmen', tout en ayant des performan-
crs d'utilisation considérablemrant accrues par rapport aux outils antérieurs.
1~4(~4~
Ce~ resultats so~t obtenus, selon l'invention, avec
un outil pour le forage de terrains, comportant: !
- un corps d'outil destine à être entraîne en rotation
autour d'un axe par un porte outil, une cavité étant ménagee 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 d'éléments d'attaque des terrains sur un
front de taille,
- des moyens d'irrigation pour délivrer au moins un jet
fluide d'irrigation 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'aspirati.on du fluide ayant irrigué les
organes tournants, ces moyens d'aspiration étant adaptés à
délivrer au moins un jet ascendant de fluide d'aspiration, ces
moyens d'aspiration comportant au moins un second orifice
ménagé dans le corps d'outil et situé au-dessus d'un second
espace compris entre deux organes tournants adjacents,
caractérisé en ce que ladite buse est disposée de
fa~on à ce que`ledit premier orifice calibré délivre un jet
d'i.rrigation ayant une orientation sensiblement parallèle à l'axe
de l'outil et le premier orifice calibré débouche à une distance
du front de taille comprise entre 1/3 H et 4/5 H, H étant la hau-
teur des el~ments tournants mesurée parallèlement a l'axe de l'ou-
til.
L'invention pourra être bien comprise et tous ses
avantages apparaitront clairement à la lecture de la description
qui suit, de réalisations pr~férentielles, illustrée par les
-- 3 --
-~æ
figures annexees dans lesquellcs:
- la figure 1 represente une vue de dessous de l'ou-
til selon l'invention,
- les figures 2 et 3 représentent une vue en coupe
de l'outil respectivement selon les lignes X'X et Y'Y de la
figure 1,
- la figure 4 représente schématiquement une variante
de réalisation des moyens d'aspiration,
- la figure 5 illustre schématiquement une variante de
réalisation d'une buse d'irrigation,
- la figure 6 montre en section droite un exemple
d'organe stabilisateur pouvant être placé au-dessus de l'outil,
et
- la figure 7 illustre en coupe longitudinale un
mode de réalisation de _
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l'organe stahilisateur, dans lequel un venturi est ménagé dans l'une
des ailrs de cet Drgane.
L'outil représenté 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 roulemen-ts
non représentés et dont les axes sont inclinés par rapport à l'axe vertical dE
l'outil. Chacun de ces organes tournants peut être de tout type connu et compor- -
ter des dents, comme représen-té sur la figure 1, ou d'autres ~léments taillantscapables d'attaquer les terrains au niveau du front dE taille.
La partie suprrieurr-~ 3 du corps 1 (Fig. 2 et 3) est filetée pour
assurer le raccor.lemsnt de l~outil à un élément porte-outil qui l'entraîne en
rotation.
Ce porte-outil, désignr par la référence 9, peut être constituÉ par
la colonne de forage dar~o le cas du forage rotary. Lorsque l'outil est direc-
temerrt entrainé en rotation par un mntEur de fond, le porte-outil sera constitué
par le rotor de ce moteur.
Dans 1B corps 1 de l~outil est merlagre une cavi-té 1a qui communique
directement avec la ranalisation intérieure de la colonne de forase.
Le corps de l'outil est pourvu d'orifices calibrés 10, 11 et 12 qui
communiquent avec la cavité 1a. Les deux premiers orifices sont placés de telle
sorte que, pendant le fonctionnement de l'outil, le fluide qui alimente la
cavite 1a s'échappe par ces orifices 10 et 11 en formant dans deux des espaces
libres compris entre les organes tournants 5, 6, 7 deux jets d'irrigation du
front de taille sensiblement parallèles à l~axe de l'outil et dirigés de haut
en bas, c'e5t-à-dire dans le sens d'avancement dE l'outil.
Le troisième orifice calibré 12 est placé de telle sorte que, pen-
dant le fonctionnement de l!outil le fluide s'échappe au-dessus du troisième
espace libre compris entre les organes tournants 5, 6, 7~ en formant un jr-t
ascendant ayant 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.
~asd~04s
En outre, les orifices calibrés d'irrigation 10 et 11 sont à une
distance ~ du front oe tail.le telle que, si on désigne par H la dimension des
organes tournants 5, 6 ou 7 mesurée parallèlement à l'axe de rotation de l'outil,
on ait :
1 H ~ ~ ~ 4 H
D'excellents résultats ont été, en particulier, obtenus avec
0,4 H ~ ~ ~ û,5 H
L'orifice d'aspiration 12 est di.sposé à une distance L du front de
taille supérieure à la valeur H définie ci-dessus.
lD Cette distance L sera avantageusement au moins égale à 1,4 H.
On dispose ainsi d'une difference de pressicn r~ntre le front de taille
et la zone où est situé la jet d'aspiration. Cette clifférerlce de prLssion accé-
l~re notablement ]a remontrie cle la boue chargée de dé~lais C'~Ui S ~ écoule très
rapi.dement du ~ront de taille vers cet~e zone.
Les déblais sor1t ainsi évacués du f-ont de taille aussitôt qu'ils sont
formés et dans ces conditions l'cutil de forage reste propre en permanence, ce
qui permet des vitesses de forage accrues et accroît la longévité de~ orcJanes
de l'outil (dentures, paliers, etc...).
Il peut être avantageux, ainsi que le montrrnt les figures 2 et 3,
que l'alimentation en fluide des orifices calibrés 10, 11, 12 à partir de la
; cavité 1a se fasse par des conduits con~cus de manière à rédui.re le plus pos-
sible les pertes de charges du fluide, notamment par raccordement tangentiel
à la paroi de la cavité 1a.
Dans l'exemple de réalisation illustré aux figures 1 et 3 1ES ori-
fices calibrés 10 à 12 sont constitués par les orifices circulaires des buses
10a, 11a et 12a r.espectivement, d'axes sensiblement parallèles à l'axe de
l'o-itil.
.
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La figure a rnontre, en vue de dessus, une variante de réalisation
des moyens d'aspiration qui sont alors constitués par au moins un groupe de
buses adjacentes 12a1, 1Za2, 12a3, ou plus généralement par des moyens d'aspi-
ration répartis sur un large intervalle angulaire, les buses adjacentes d'un
groupe pouvant être éventuellement remplacées par une buse de section droite
allongée couvrant à elle seule un large secteur angulaire. Trois buses sont
représentées mais cs nombre n'est nullement limitatif.
Dien entendu, 1.es 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 modificati.ons pourront être apportées sans pour autant sortir
du cadre de la présente invention. Par exemple, comme le montre la figure 5,
les buses d'irrigation telles que 1Oa pourront être portées par un prolongateur
13 fixé au corps de l'outil par tout moyen connu tel qu'un filetage 14, ce
prolongateur étant interchangeable pour permettre d'ajuster la distance ~ dans
les limites de l'intervalle ci-dessus définie à la valeur désirée par l'utili-
sateur, en fonction de la nature des formations géologiques 3 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 déhlais
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 compor-
ter un tube venturi constituant ainsi avec le jet de fluide d'aspiration un
hydro-éjecteur.
Dans un mode de réalisation 'el que celui représenté sur la figure 6
l'outil de forage est immédiatement surmonté d'un organe stabilisateur 16 com-
portant plusieurs iames définissant entre elles des espaces 15 en communication
directe avec l'espace annulaire compris entre la paroi du puits et la colonne
de forage. Dans un tel cas il peut etre avantageux de ménager un tube venturi
1~ dans l'une des larnes 21 du stabilisateur 16, comme illustré par la figure 7,l'organe 16 étant alors fixé~ par tout moyen approprié tel que des vis 17, dans
une position telle que le tube venturi 19 ait sensiblement même axe que le jet
de fluide d'aspiration 7. Dans ce cas, le tube venturi 15 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 emp~echer la retombée des déblais
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par gravite dans le tube venturi lorsque la circul.atinn du fluid~ de forage est
interrompue.
L'inclinaisun des bords des orifices 20 sur l'axe du tube venturi 18
sera avantageusement inférieure à 45.
