CA2070965A1 - Outil de forage a molettes coniques rotatives - Google Patents

Outil de forage a molettes coniques rotatives

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Abstract

Outil de forage à molettes coniques rotatives. Invention : Monsieur Alain BESSON Monsieur Patrick TOUTAIN Société Anonyme dite : TOTAL COMPAGNIE FRANCAISE DES PETROLES L'invention concerne un outil de forage à molettes coniques rotatives, tels que bicône, tricône, du type dans lequel chaque molette est pourvue de plusieurs rangées circulaires de dents usinées dans la masse ou de picots sertis (22), par exemple en carbure de tungstène, chaque picot ou dent présentant à son extrémité, successivement dans le sens où il (elle) roule sur la roche, une zone arrière ou d'impact (24) une zone centrale (28) de forme arrondie dans le sens longitudinal ou plane et une zone avant (30) qui entre en contact avec la roche en dernier lieu, avant le basculement sur la dent ou le picot suivant. Selon l'invention, les dents ou les picots (22) sont munis d'éléments diamantés (32, 34) sur ladite zone avant (30) et éventuellement sur ladite zone centrale (28), mais pas sur ladite zone arrière (24). Figure 3.

Description

9 6 ~
Outil de Eo~age à molettes coniques rotatiYe3.
La présente invention concerne un outll de forage ~
molettes, tel que bic8ne, tric~ne, etc..~, ayant des caractéristiques de coupe très amélior~!es par rapport aux outils de la technique antérieure.
Dans la suite~ on se réfèrera pour fixer les idées, uniquement aux tricones, c'est-à-dire aux outlls de forage à trois molettes, mais l'invention s'applique egalement aux outils de forage ayant un nom'bre quelconque de-mole~tes.
Pour mieux co~prendre les perfectionnements apportéspar l'invention aux outils de forage à molettes de la technique antérieure, on décrira ci-après un exemple de tric8ne connu en regard des dessins annexés dans lesquels:
la figure 1 est une vue en per~spective du tricône ;
et la figure 2 est une vue du tricône à partir de llextrémité inférieure, les dents ou picot3 ayant été
omises pour la simplicité du dessin.
Le tricône 10 comprend un corps tubulaire 12 en acier, fixé a l'extrémité d'un tubage, non représenté, qui l'entraine en rotation autour de son axe x-x. Dans l'ouverture inférieure du corps sont montées rotatives librement, trois molettes coniques 14, 16, ~8, en acier, dont les sommets sont tourn~s vers l9axe de l'outil~ Les 001ettes présentent des paliers annulaires 20 garnis de rangées de dents 22 qui peu~ent être, SQit usinées dans la masse, puis recouvertes d'une couche de carbure de tungstène9 soit constituées par des picots en carbure de tungstène sertis dans des trous usinés dans la paroi de la molette.
Comme le montre clairement la figure 2, les ax~s des molettes ne convergent pas exactement sur l~axe x-x de 170util, mais il en son~ décalés respectivement d'une distance d que l'on appellera ci-apras entr'axe Ce décalage peut également être caractérlsé par l~anglec~ que fait l'axe d'une molette avec le plan radial de l'outil qui contient le centre de la base de ladite molette On : . . - :

:: . . .
;
-
2 2~7~965 désignera ci-après cet ~ngle par décalage angulaire. Comme on le sait, grâce audit décalage, les molettes exercent une action de ripage ou d~abrasion sur la roche, et plus l'angle c~< es~ élevé, plus cette action est énergique.
Lorsque le~ molettes 149 16, 18 sont au contact de la roche, la rotation de l'outil, par exemple dans le sens de la Elache f sur la Eigure 2, entraine l~ rotation des trois molettes respectivement dans le sens des flèches indiquées sur la figure 2.
11 existe deux types d'outils à molQttes :
1) Les outils dont les molettes présentent un décalage angulaire élevé. Ces outils sont efficaces pour le forage de roc~es tendres à moyennement tendres, mais moins quand il s'agit de forer des roches dures, car en raison du ripage sur la roche, les dents ou picots des molettes s'usent rapidement. Les outils selon ce premier type détruisent la roche par les trois actions su;vantes :
- par impact, chaque fois qu'une nouvelle dent 22 20 percute la roche, -- par poin~onnement, sous l'action de la force axiale Fv qui s'exerce sur l'outil 10, et - par abrasion-cisaillement en raison du ripage des picots sur la roche, 2~) les outils dont les molettes ont un décalage ;~
angulaire nul~ faible ou modéré. Dans ce cas, la roche est détruite seulement par les deux premières actions susmentionnées. Ies picots de cette seconde catégorie peuvent avantageusement être diamantés, mais malgré tout l'efficacité de L'outil est très réduite du fait qu'il n'y a pas de destruction par ripage.
I.a présente invention a pour but d'améliorer l'efÇicacité des outils à molettes, tels que bic$ne, tric8net etcO.. aussi bien ceux ayant un décalage angulaire nul, faible ou modéré, que ceux ayant un décal~ge angulaire élevé et qui ont donc un ripage important, ces derniers pouvant néanmoins etre utilisés avec des roches dures, sans pour autant entrainer l'usure .

., .. , . . . .: :
: . : - . : .

2 ~

des dents ou pico~s.
Selon l'invention, chaque dent ou picot comprend une zone arriare ou d'impact par laquelle le picot entre en contact avec la roche, une zone centrale ou de glissement, et une zone avant ou de cisaillement qui entre en corltact avec la roche en dernier lieu 9 avant le basculement qur la dent ou le picot suivant, au moins un élément diamanté
étant placé sur ladite zone avant et éventuellement sur ladit zone intermédiaire, mais pas sur ladite zone arrière.
On sait en effet que 11utilisation d'éléments diaman~és en tant que corps très durs augmente notablement la durée de vie des dents et picots,` tant qu'il n'y a pas de chocs.
Chaque élément diamanté peut être constitué par un diamant naturel ou synthétique ou par une concrétion diamantée9 par exemple une plaquette de polydia~snt cristallin ou PDC.
En d'autres termes, l'idée de l'invention consiste a placer des éléments diamantés seulement dans les zones de la dent ou du picot où il se produit un ripage, un frottement9 un glissement, un poin~connement~ ou un cisaillement. La zone arribre par laquelle la dent ou le picot percute la roche~ est dépourvue d'élément diamanté
car celui-ci serait détruit sous l'action du choc.
Aucun document de l'état de la technique ne décri~
un outil du type tricône pourvu de dents ou de picots tes que décrits ci-dessus.
Ainsi, le brevet US-A-4 148 368 préconise 19utilisation de diamants pour diminuer l'usure des éléments de coupe de~ outils existants. Ces diamants, situés en bordure du trou de forage, ont pour unique fonction d'éviter une perte de di~mètre de l'outil. Les diamants n'ont pas de fonction destructrice de la roche et sont en contact avec la paroi du trou. Ainsi, tel qu'il est positionné, le dia~ant a une fonction de percussion et de poin~connement qui entra~ne nécessairement ~une destruction prématurée du diaman~ qui est très sensible .

..
- . . . . . . .
~ .. . . .
~ .
.
- . . -:
.
- .
:

4 ~7~9~5 aux chocs.
On connait é~alement par le brevet FR-A-2 029 550 un outil pourvu d'éléments de coupe A conEiguration conique.
L'adjonction d'eléments ultra-durs comm~ le diamAnt entra~nera une destructlon prématurée de la structure de coupe par impacts.
Le brevet FR-A-2 268 940 concerne des outils de coupe monoblocs qui sont des outils très diff~rents des tric8nes du fait que ces derniers sont montés tournants et entra~nent dans leur rotation plusieurs molettes équipées d'éléments de coupe qui percutent, poin~onnent et ripent sur la roche. L'utilisation de~ plaquettes dudit brevet sur un outil tricône entra~nerait une destruction prématurée des éléments abrasifs.
Le brevet US-A-b~ 940 099 concerne la prévision d'élémen~s an~i-abrasifs destinés à réduire l'usure du diamètre des outils existant sur le marché. Ces éléments ne sont pas actifs, car ils sont situés sur la garde. Ils ne sont prévus à cet emplacement que pour résister au frottement du puits ~ur le cône et sont en contact permanent avec la paroi du trou de forage.
Enin, le brevet GB-A-1 014 433 concerne la création d'un pré-trou afin de pouvoir dé~ruire la roche~ par cisaillement vertical p~r étages successifs dans la partie 25 conique. Ici l~outil travaille par 'ieffet de marche" et -~
par impact~ successifs sur la roche. Les efforts qui engendrent la destruction de la roche sont concentriques.
Ce brevet n'a donc pas de rapport avec l'objet de l'invention.
Un mode de réalisation de l'invention sera décrit à
présent en regard des dessins annexés dans Iesquels :
la figure 3 est une vue de profil, partiellement~en coupe~ d'un picot muni d'un élément diamanté sur sa zone avant et d'un éIément diamanté sur sa zone centrale ;
les figures 4 à 7 sont des vuPs de ~ace de diverses formes de réalisation du picot 9 vues depuis la gauche sur la figure 3 ;
les igures 8 à 11 montrent quatre phases ,.;;' .~

- - -::
: . -.: . . . , . :

2~r~ 96~

successiYes de l'action du picot de la figure 3, sur une roche ;
les figures 12 et 13 représentent respectivement une vue en plan par le haut et une vue de profil d'un plcot présentant un angle biais vers l'int~rieur de l'outil ;
la igure 14 montre un picot fa:isant un angle bials vers l'exterieur de l'outil ; et 1A figure lS représente une dent usln~e et munie d'un élément diamanté.
Le picot 22 représenté à la igure 3 est sensiblement cylindrique et l'une de ses extrémités est fixée dans une molette 14 d'un outil~ non représenté, qui est supposé être entrainé en rotation autour d'un axe vertical, dans le sens de la flèche f de la figure 3. La molette elle-même roule sur la roche 26 dans le sens de rotation f'~figure 4).
Par rapport au sens de rotation f de l'outil, on distlngue ~ l'extrémité de chaque picot 22, une zone arrière ou d'impact ~4 par laquelle le pico~ entre en contact avec la roche 26, une zone centrale ou de glissement 28 de forme arrondie dans le sens longitudinal ou plane, et une zone avant ou de cisaillement 30 qui entre en contact la dernière avec la roche, avant le basculement sur le picot suivant~
Dans la zone avant 30 est serti ou brasé un élément diamanté 32, par exe~ple un diamant naturel, ou un diamant synthétique ou une concrétion diamantée telle qu'une plaquette de polydiamant cristallin ou PDC, destiné
a assurer une plus grande efficacité du picot: en cisaillement, en abrasion ou au poinconnement. Les ~igures 4 à 7 montrent des exemples de forme dlélément diamanté.
On définit l'angle d'attaque que fait le plan de la plaquette ~t le plan 40 perpendiculaire à la roche et passant par le point de contact du PDC avec la roche.
Dans le mode de realisation de la figure 3~
l'elément diamanté 32 est dit "agressif" parce qu'il fait un angle d~attaque posikif important (entre 10 à 40) avec la roche. Ici9 l'élément diamanté est utilisé pour . .

.
- ~ , ,: : . . -:

2~7~
cisailler la roche. Son comportement est proche de celui d'un taillant d'outil trépan ~ lames, la seule différence étant que l'angle d'~ttaque évolue pendant la rotation du c8ne, comme il ressort des figures 8 à 11~
L'angle d'àttaque peut 8tre négatiE. Dans ce cas, sa face avant se trouve en arri~re par rapport à la normale à la formation rocheuse.
Avec les ou~ils ayant un décalage angulaire important, il se proclult durant le forage, les quatre phases de destruction suivante~, respectivement illustrées par les figures 8 à 11, selon l~ zone du picot qui est en contact avec la roche :
1. au moment où le picot 22 arrive en contact avec la roche ~6 (fig~re 8), il y a essentiellement destruction par impact et par poin~onnement, provoquée p~r la zone arrière 24 du picot. Cette zone doit avoir des qualités de résistance aux chocs et de dureté. Le carbure de tungstène reste un matériau très adapté à cette fonctivn ;
2. après l'impact, le picot 22 ~lisse sur la roche.
Le poids se répartit sur la zone centrale 28 du picot (figure 9). Cette zone doit être dure et résistante à
l'abrasion. Dans cette phase, la destruction de la roche se fait par ripage-abrasion et par poin~onnement ;
3. la partie avant 30 du picot détruit la roche par cisaillement (figure 10) L'angle d~attaque est évolutif ;`
e~ le temps d'action est très court ; ~-
4. le picot 22 continuant de tourner,-c'est son bord arrière qui cisaille la roche (figure 11).
L'élément diamanté peut également faire avec la -~
roche un angle biais compris entre 0 et 45~
Dans le mode de réalisation des ~igures 12 et 13, l'angle biais est orienté vers l'intérieur de l'outil Le point 33 représente l'axe de rotation de la molette.
Dans le mode de réalisation de la figure 14, l'angle biais est orienté ver~ l'extérieur de l'outil.
Les picots peuvent également être munis, sur la ~one centrale 283 d'un elément diamanté 34 ou de plusleurs ran~ee~ linéaires d'eléments diamantés. L'élément diamanté

:

~ ' - .
. ' ': ~, ,~ ' ~

.

7 ~7~96~
34 est dispose immédiatement R la suite de la zone d'impact 24 ~ la place de picots, les cônes peuvent comporter des dents ~6 taill~es dans la masse~ comme le montre la
5 fi~ure lS.
Il va de soi que des eléments diamantés peuvent etre Eixés sur les dents ou picots même dans le cas où le décalage angul~ire est nul.
~ insi, l'invention a permis d'améliorer la résistance à l'usure des dents ou des picots des molettes.
Elle permet un travail par cisaillement beaucoup plus intense et efficace, un travail avec un décalage angulaire plus élevé, sans augmenter le niveau d'usure, ainsi qu'une destruction par cisaillement plus accentuée. Elle s'applique aussi bien aux molettes à décalage angulaire élevé qu'à celles ayant un décalage angulaire faihle ou nul, par le fait que lqon peut placer des éléments diamantés dans les parties des dents ou picots, autres que celles sur lesquelles se produit un impact ou une percussion sur la roche.

-: :
-: ;, .

Claims (5)

1. Outil de forage (10) à molettes coniques rotatives (14, 16, 18), tels que bicône, tricône, du type dans lequel chaque molette est pourvue de plusieurs rangées circulaires de dents (36) usinées clans la masse vu de picots sertis (22), par exemple en carbure de tungstène, chaque picot ou dent présentant à son extrémité, successivement dans le sens où il (elle) roule sur la roche (26), une zone arrière ou d'impact (24), une zone centrale (28) de forme arrondie dans le sens longitudinal ou plane et une zone avant (30) qui entre en contact avec la roche en dernier lieu, avant le basculement sur la dent ou le picot suivant, caractérisé
en ce que les dents ou les picots (22) sont munis d'éléments diamantés (32, 34) sur ladite zone avant (30) et éventuellement sur ladite zone centrale (28), mais pas sur ladite zone arrière (24).
2. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments diamantés (32, 34) sont constitués par des diamants naturels ou par des diamants synthétiques ou par des concrétions diamantées, telles que des plaquettes de polydiamants cristallins, fixés sur le picot ou la dent.
3. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone centrale (28) est munie de plusieurs rangées linéaires d'éléments diamantés.
4. Outil de forage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les axes des molettes (14, 16, 18) font un angle (.alpha.) ou décalage angulaire avec le plan radial passant par l'axe (x-x) de l'outil et par le centre de la base de la molette.
5. Outil de forage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les axes des molettes (14, 16, 18) ont un décalage angulaire nul.
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