BE1000489A3 - Outil de forage rotatif. - Google Patents

Abstract

Il s'agit d'un outil de forage rotatif pourvu d'éléments de coupe ayant une couche frontale de particules abrasives liées entre elles, telles que des diamants synthétiques, laquelle couche a une épaisseur qui varie avec la distance au corps de l'outil. On peut utiliser la relation caractéristique ainsi obtenue entre l'agressivité de l'outil et l'usure de l'outil pour surveiller l'état d'usure de l'outil pendant le forage.

Description

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  "Outil de forage rotatif" 
L'invention concerne un outil de forage rotatif pour forage profond dans des formations terrestres sous-superficielles, et en particulier un outil de forage comprenant un corps d'outil qui peut être couple convenablement à l'extrémité inférieure d'un train de tiges et qui porte une multiplicité d'éléments de coupe. 



   Des outils de forage de ce type sont connus et décrits par exemple dans les brevets des   E. U. A.   



  Nos.   4. 098. 362   et   4. 244. 432.   Les   elements   de coupe des outils décrits dans ces brevets sont des fraises préformées en forme de cylindres, qui sont fixées au corps de l'outil, soit en montant les   elements   dans des évidements du corps, soit en brasant et en soudant chaque élément à une broche qui est adaptée dans un évidement du corps de l'outil. Pendant le forage, les impacts exercés sur les éléments de coupe sont importants et pour obtenir que l'on évite des fatigues indésirables dans les éléments, la surface frontale de chaque élément est en général orientée suivant un angle de   dega-   gement supérieur négatif compris entre zéro degré et vingt degrés. 



   Les éléments de coupe comprennent ordinairement une couche frontale consistant en diamants synthétiques ou en particules cubiques de nitrure de bore qui sont liées ensemble pour former une masse polycristalline compacte. 

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   La couche frontale de chaque   Element   de coupe peut s'appuyer sur un substrat de carbure de tungstène cimenté pour reprendre la poussée imposée à la couche frontale pendant le forage. Des   elements   de coupe préformés de ce genre sont décrits dans le brevet des E. U. A. No.   4. 194. 790   et dans le brevet européen No. 



  0029187 et ils sont souvent appelés outils de coupe compacts composites ou-dans le cas où les particules abrasives sont des diamants-, ils sont appelés compacts de diamants polycristallins (PDC). 



   Un problème général rencontré avec des outils de forage classiques du type   precedent   est que le degré d'usure de l'outil ne peut être surveillé d'une manière precise. Par suite, il peut arriver parfois qu'un ou- 
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 til fortement usé soit ramené à la surface pour être remplacé.

   En outre, il peut arriver que, pendant le forage dans des formations particulières, une usure excessive de l'outil ait lieu, alors que, pendant le forage dans d'autres formations,   c'est à   peine si une usure de l'outil se produit. 11 est donc   necessaire   de mettre un personnel actif en état de choisir les conditions de travail optimales pour des formations particulières pour éviter des   degres   d'usure excessifs et pour determiner un compromis optimal entre le rendement et la durée de vie des outils de forage rotatifs. 



   Par consequent, un but de l'invention est de procurer un outil de forage dans lequel le degré d'usure de l'outil puisse être surveillé de façon continue et précise pendant le forage. 



   Suivant l'invention, ce but est atteint par un outil de forage comprenant un corps d'outil et des éléments de coupe faisant saillie du corps, dans lequel au moins certains des éléments comprennent une couche frontale de particules abrasives liées entre 

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 elles, ayant une épaisseur qui varie avec leur distance au corps. 



   Dans une forme de réalisation convenable de l'invention, l'épaisseur de la couche frontale diminue progressivement avec sa distance au corps de l'outil. 



   Un autre but de l'invention est de procurer un élément de coupe a utiliser dans l'outil. 



     L'element   de coupe suivant l'invention comprend pour cela une couche frontale de particules abrasives liées entre elles, laquelle couche a une épaisseur variable. 



   On exposera maintenant   l'invention   avec plus de details par un exemple, en se référant aux dessins joints au présent mémoire, sur lesquels : - la figure 1 est une coupe verticale d'un outil de forage rotatif réalisant l'invention ; - la figure 2 montre l'un des éléments de coupe de l'outil de la figure 1, considéré en coupe suivant la ligne   11-11 ;   - la figure 3 montre une configuration en variante d'un élément de coupe suivant l'invention ; et - la figure 4 montre une autre configuration en variante   d'un element   de coupe suivant l'invention. 



   L'outil de forage rotatif   montré à 1a   figure 1 comprend un corps d'outil 1 constitué   d'un füt d'acier   1A et d'une matrice métallique dure 1B dans laquelle plusieurs   elements   de coupe cylindriques préformés 3 sont introduits. 



   Le füt 1A est, à son extrémité supérieure, pour- 
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 vu d'un accouplement ä vis 5 pour accoupler l'outil a l'extrémité inférieure d'un train de tiges (non montre). 



  Le corps d'outil 1 comporte une forure centrale 6 pour permettre à de la boue de forage de   s'écouler ä   partir de   l'interieur du   train de tiges, en passant par une 

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 serie   d'ajutages 7,   dans des canaux 8 d'écoulement radiaux qui sont formés dans la face 9 de l'outils l'avant des éléments de coupe 3 pour permettre à la boue de refroidir les elements 3 et de chasser les déblais de forage vers le haut, dans l'espace annulaire périphérique. 



   Les é1éments de coupe 3 sont arrangés en series radiales, de telle façon que leurs surfaces frontales 10 (voir figure 2) soient au ras de l'une des parois latérales des canaux d'écoulement 8. Les séries radiales   d'elements   de coupe sont réparties suivant des angles autour de la face 9 de l'outil et dans chaque   Se-   rie, les éléments de coupe 3 sont arranges suivant un arrangement avec recouvrement et décalage par rapport aux éléments 3 des séries voisines, en sorte que les rainures concentriques qui sont creusées pendant le forage par les divers éléments de coupe 3 dans le fond du trou de forage, produisent un approfondissement régulier du trou. 



   L'outil comprend, en outre des é1éments de coupe cylindriques 3, une série de fraises de diamant massives   12 , établies   en surface, qui sont enrobées dans 
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 la partie de la matrice 1B près du centre de rotation de l'outil. Au calibre 13 de l'outil, une série   d'ele-   ments aléseurs de diamant, massifs, 15, sont introduits dans la matrice 1B, ces elements étant destinés   a   couper le trou de forage au diamètre convenable et à stabiliser l'outil dans le trou de forage pendant le forage. 



   Comme représenté aux figures 2   ä     4,   chaque   elle-   ment de coupe cylindrique 3 est adapté par brasage ou soudage dans un évidement préformé 18 de la matrice 1B. 



  L'élément de coupe cylindrique   3, 3', 3"montre   sur ces figures comprend une couche frontale 20,   20', 20".   consistant en une masse polycristalline de particules 

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 abrasives telles que des diamants synthdtiques ou des particules cubiques de nitrure de bore, et en un substrat 21,   21',     21" de   carbure de tungstène.   L'ele-   ment de coupe 3, 3',   3" est appuyé Bur   une ailette support 22, 22', 22"faisant saillie sur la matrice
1B de l'outil pour reprendre la poussée imposée ä   l'element   pendant le forage. 



   A la figure 2, on montre un   element   de coupe 3 pourvu d'une couche frontale abrasive 20 ayant une épaisseur T qui augmente graduellement avec la distance D au corps 1B de l'outil. Par suite, au bout 26 de   l'element   3, épaisseur   T   de la couche frontale abrasive 20 est plus grande que l'épaisseur T2 de cette couche, en des points situés au-dessus du bout 26. 



   Comme représenté par les lignes en traits mixtes 27 et 28, le substrat 21 s'use pendant le forage de façon telle que sa surface inférieure soit orientée parallèlement au fond du trou (non montré), tandis que la couche abrasive frontale   s'use   de façon que son bout soit   Oriente   suivant un angle aigu par rapport au fond du trou. Des détails du schéma d'usure d'un élément de coupe pendant le forage sont décrits dans la demande de brevet européen de la demanderesse, No.   85200184. 1   (publication No. 0155026 ; date de publication : 18 septembre 1985).

   Comme décrit dans cette reference   ä   l'art antérieur, l'angle au bout de l'element de coupe reste sensiblement constant pendant le forage, quels que soient l'épaisseur T de la couche abrasive frontale 20, le poids appliqué sur l'outil et la vitesse de   l'element   de coupe par rapport au fond du trou. En raison de l'angle d'usure constant, la grandeur de ce que l'on appelle le bord d'inclinaison de la roche broyée, et le frottement propre entre le bout de   l'ele-   ment de coupe, le fond du trou et les débris qui en sont enlevés, dépendent de l'épaisseur T de la couche frontale 20. 

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   Par suite de la configuration de l'element 3 de la figure 2, la grandeur du bord d'inclinaison diminue lorsque l'usure de l'outil progresse (voir les lignes en traits mixtes 27 et   28). Par conséquent,   la grandeur de la force de coupe et l'agressivité propre de l'outil (définie comme le rapport du couple et du poids exercés sur l'outil) diminueront aussi à mesure que l'usure de l'outil progresse. 



   La relation caractéristique entre l'usure de l'outil et l'agressivité de l'outil suivant   l'inven-   tion peut être utilisée pour surveiller, pendant le forage, l'usure de l'outil en mesurant le couple et le poids exercés sur l'outil pendant le forage. Ces mesures peuvent être prises soit à la surface, soit au fond, après quoi le signal mesuré est transmis à la surface par des techniques de mesure en cours de forage. 



   La surveillance de l'usure de l'outil pendant le forage fournit, en dehors de la détermination du moment auquel un outil usé doit être remplacé,   l'oc-   casion de choisir des conditions de travail optimales pour des formations particulières, pour éviter des taux d'usure excessifs et pour déterminer un compromis optimal entre le rendement et la durée de vie de l'outil. 



   Les figures 3 et 4 montrent des configurations en variante d'un outil de coupe réalisant l'invention. 



  Dans la configuration montrée   ä   la figure 3, la couche frontale abrasive   20'de l'element cylindrique 3'a   une surface frontale convexe   10',   tandis que dans la configuration   montrée à 1a   figure 4, la surface fron-   tale 10"de   la couche abrasive frontale   20"a la   forme d'un tronc de cöne. 



   Dans la configuration montrée aux figures 3 et 4, la grandeur du bord d'inclinaison forme, pendant le forage, au bout de   l'element,   augmentera d'abord et 

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 diminuera dans la suite d mesure que l'usure de l'outil progresse. Par conséquent, l'agressivité de l'outil diminuera d'abord et augmentera par la suite, ä mesure que l'usure de l'outil progresse.

   La configuration convexe de la couche frontale   20'de l'élément 3'   montre à la figure 3 amorcera une variation progressive de l'agressivité de l'outil pendant le forage, tandis que la configuration conique de la couche frontale   20"   de   l'élément 3" montré à   la figure 4 amorcera un changement plus brusque de l'agressivité de l'outil, de la décroissance   ä   l'augmentation, lorsque   l'element   de coupe aura été usé dans une mesure telle que le bout de   l'élément 3" soit situé   au centre 40 de la surface tronconique   11"de la   couche frontale 20". 



   On comprendra que les configurations des couches frontales montrées aux dessins ne sont que des exemples, D'autres configurations peuvent être utilisées aussi bien, pourvu que l'agressivité de la coupe de   1'element   varie pendant sa durée de vie. 



   Pour éviter que l'agressivité de coupe variable n'influe sur le processus de coupe, on préfère faire varier l'épaisseur de la couche frontale abrasive dans une gamme choisie seulement. Une gamme d'épaisseurs convenable est comprise entre 0, 1 et 3 mm. 



   On remarquera qu'au lieu de la forme cylindrique des éléments de coupe, montrée aux dessins, les élémente de coupe de l'outil suivant l'invention peuvent avoir toute autre forme convenable, pourvu que les éléments de coupe soient pourvus d'une couche frontale abrasive ayant une épaisseur variable. On comprendra encore que l'element de coupe peut consister en une couche frontale seulement, laquelle couche frontale est frittée directement au corps de l'outil en métal dur. En outre, on comprendra qu'au lieu d'avoir la distribution particulière des éléments de coupe le long de la face de 

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   l'outil, montrée à   la figure 1, les éléments de coupe peuvent être distribués aussi bien suivant d'autres schémas le long de la face de l'outil.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS 1. - Outil de forage rotatif pour forage profond dans des formations terrestres sous-superficielles, l'outil comprenant un corps d'outil qui peut être coupléconvenablementàl'extrémitéinférieured'un train de tiges et qui porte une multiplicité d'éléments de coupe faisant saillie à partir du corps, dans lequel au moins certains des éléments comprennent une couche frontale de particules abrasives liées entre elles, ayant une épaisseur qui varie avec sa distance au corps.
2. 2.-Outil suivant la revendication 1, dans lequel l'épaisseur de la couche frontale diminue graduellement avec la distance au corps de l'outil.
3. 3.- Outil suivant la revendication 1, dans lequel l'épaisseur de la couche frontale augmente graduellement avec la distance au corps de l'outil.
4. 4.-Outil suivant la revendication 1, dans lequel l'epaisseur de la couche frontale augmente d'abord EMI9.1 et diminue ensuite avec la distance au corps de l'outil.
5. 5.-Outil suivant la revendication 1, dans lequel la couche frontale est en forme de disque et dans lequel l'épaisseur de la couche frontale augmente dans la direction de la circonférence extérieure au centre de la couche.
6. 6. - Outil suivant la revendication 1, dans lequel l'épaisseur de la couche frontale varie de 0, 1 mm ä 3 mm.
7. 7.- Outil suivant l'une quelconque des revendications 1 ä 6, dans lequel les couches frontales des éléments de coupe consistent en une masse polycristalline de particules abrasives de diamant, cette masse étant liée ä un substrat de carbure de tungstène.
8. 8.-Element de coupe à utiliser dans un outil <Desc/Clms Page number 10> de forage rotatif suivant la revendication 1, l'ele- ment de coupe comprenant une couche frontale de particules abrasives liées entre elles, laquelle couche a une épaisseur variable.
9. 9.-Element de coupe suivant la revendication 8, ayant une forme sensiblement cylindrique et comprenant une couche frontale sensiblement en forme de disque de particules de diamant liées entre elles, laquelle couche est 1iée à un substrat de carbure de tungstène.