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Outil de forage du type à taillants fixes.
L'invention concerne les outils utilisés pour le forage de puits dans le sol, spécialement les puits de pétrole et de gaz.
Elle concerne plus particulièrement un outil de forage du type à taillants fixes.
Les outils de forage du type à taillants fixes (généralement dénommés" fixed cutter drill bit"dans la technologie anglo-saxonne) sont bien connus en technique et fabriqués notamment par DIAMANT DRILLiNG SERVICES. Ces outils trouvent une application importante pour le creusement de puits de pétrole et de puits de gaz.
Les outils de forage à taillants fixes comprennent, d'une manière générale, un corps de révolution, portant des éléments tranchants, destinés à l'attaque de la roche. Ils sont par ailleurs équipés d'un circuit d'admission d'un fluide de forage. Le fluide de forage est normalement un liquide de viscosité réglée. Il a pour fonction, entre autres, de refroidir les éléments tranchants, d'éliminer les débris du front de forage, d'évacuer ceux-ci hors du puits, de stabiliser le puits et, dans certains cas, de provoquer la rotation de l'outil de forage dans le puits, par l'intermédiaire d'un moteur.
Le circuit du fluide de forage doit être conçu pour répondre aux exigences des utilisateurs, principalement les fabricants des moteurs destinés à l'entraînement de l'outil. Ceux-ci imposent généralement une perte de charge définie, importante du fluide dans l'outil, de manière à soumettre celui-ci à une contre-pression définie.
Dans les outils de forage connus du type à taillants fixes, le circuit du fluide de forage est le plus souvent inspiré de la conception des outils de forage du type tricône. A cet effet, dans ces outils connus, le circuit du fluide de forage comprend des ajutages calibrés, traversant le corps de l'outil, au voisinage immédiat des éléments tranchants. Le calibre des ajutages est sélectionné pour engendrer la perte de charge requise pendant une utilisation normale de l'outil.
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Avec ces outils connus, le fluide de forage est éjecté à grande vitesse des ajutages et projeté sur le front de forage, les éléments tranchants et le corps de l'outil. Dans le cas des outils du type à taillants fixes, cette projection du fluide de forage à grande vitesse sur le front de forage peut se révéler nocive au bon fonctionnement de l'outil. Elle peut en outre être une cause d'usure prématurée des éléments tranchants et d'endommagement accidentel de ceux-ci.
L'invention vise à remédier aux inconvénients précités des outils de forage connus, en fournissant un outil de forage du type à taillants fixes, nouveau, qui permette la réalisation d'une perte de charge importante du fluide de forage, sans provoquer une détérioration ou une usure prématurée des éléments tranchants.
En conséquence, l'invention concerne un outil de forage du type à taillants fixes, comprenant, d'une part, un corps portant des éléments tranchants et, d'autre part, un circuit pour l'admission d'un fluide de forage au voisinage des éléments tranchants, l'outil se caractérisant en ce que le circuit d'admission du fluide de forage comprend une chambre à l'intérieur du corps de l'outil, qui se trouve en communication, en amont, avec au moins un ajutage calibré et, en aval, avec au moins une ouverture au voisinage des éléments tranchants.
L'outil selon l'invention comprend, de manière connue en soi, un corps portant des éléments tranchants. Le corps est destiné à la fixation de l'outil sur l'arbre de jonction au moteur. Il est habituellement en acier ou en carbure métallique, bien que toute autre matière, compatible avec la destination de l'outil, puisse convenir.
Les éléments tranchants sont destinés à l'attaque de la roche du puits. De manière connue en soi, ils sont habituellement disposés sur des lames métalliques, fixées au corps de l'outil. Les lames peuvent être indifféremment rectilignes ou spiralées.
Les éléments tranchants ne sont pas critiques pour la réalisation de l'invention. Ils peuvent avantageusement être sélectionnés parmi les éléments des types PDC, TSP et IMPREGNE, qui sont bien connus en technique.
L'outil est par ailleurs équipé d'un circuit hydraulique pour l'admission d'un fluide de forage au niveau du front de forage. Selon l'invention, ce circuit hydraulique
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comprend une chambre ménagée à l'intérieur du corps de l'outil. Cette chambre se trouve en communication, en amont, avec au moins un ajutage calibré et, en aval, avec au moins une ouverture qui débouche au voisinage des éléments tranchants.
Dans le présent mémoire, les expressions amont et aval sont définies en fonction du sens de circulation du fluide de forage dans la chambre, pendant le fonctionnement de l'outil.
Dans l'outil selon l'invention, l'ajutage calibré a pour fonction de réaliser la perte de charge imposée.
La chambre a pour fonction de ralentir et d'uniformiser l'écoulement du fluide, avant son éjection par l'ouverture, de manière que, lorsque le fluide atteint le front de forage et les éléments tranchants, sa vitesse soit suffisamment faible pour éviter une détérioration ou une usure prématurée des éléments tranchants.
L'outil selon l'invention peut comprendre un seul ajutage calibré ou plusieurs ajutages calibrés. De manière similaire, l'ouverture de la chambre peut être unique ou multiple. Dans le cas où l'outil selon l'invention comprend plusieurs ajutages calibrés, on entend par section ou calibre de l'ajutage, la somme des sections ou calibres respectifs des ajutages. De manière similaire, dans le cas où la chambre de l'outil comprend plusieurs ouvertures, on entend par section de l'ouverture, la somme des sections respectives des ouvertures.
Dans l'outil selon l'invention, le volume de la chambre et les sections respectives de l'ajutage calibré et de l'ouverture vont déterminer la perte de charge du fluide de forage et la vitesse avec laquelle celui-ci est projeté sur le front de forage, les éléments tranchants et le corps de l'outil. Leur choix va dépendre de divers paramètres, parmi lesquels la géométrie et la structure de l'outil, le fluide de forage utilisé et son débit, ainsi que la destination de l'outil, notamment de la roche à forer. Il doit dès lors être déterminé dans chaque cas particulier par l'homme du métier, au bureau d'étude ou par des essais.
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Dans l'outil selon l'invention, la section de passage du fluide dans l'ouverture peut être inférieure, égale ou supérieure à celle de l'ajutage calibré.
Dans une forme de réalisation préférée de l'outil selon l'invention, la chambre est de révolution autour de l'axe du corps de l'outil. Dans le cas d'un ajutage unique et d'une ouverture unique, ledit ajutage et ladite ouverture sont de préférence alignés selon l'axe du corps de l'outil. Dans le cas d'une pluralité d'ajutages, ceux-ci sont avantageusement disposés de manière sensiblement symétrique autour de l'axe du corps de l'outil. De manière similaire, dans le cas d'une pluralité d'ouvertures, celles-ci sont avantageusement disposées de manière sensiblement symétrique autour de l'axe du corps de l'outil.
Dans une autre forme de réalisation avantageuse de l'invention, la chambre présente un élargissement transversal dans sa partie d'aval. Dans cette forme de réalisation de l'invention, l'élargissement a pour fonction de ralentir et d'uniformiser l'écoulement du fluide de forage avant son passage dans l'ouverture. Dans une variante de cette forme de réalisation de l'outil, la section transversale de la chambre va en s'élargissant d'amont en aval.
Dans l'outil selon l'invention, le choix du calibre de l'ajutage dépend de divers paramètres, en particulier de la géométrie de l'outil, du fluide de forage utilisé et des exigences des utilisateurs. En pratique, il peut dès lors se révéler avantageux de pouvoir régler le calibre de l'ajutage. A cet effet, on peut par exemple concevoir l'outil de telle sorte que l'ajutage y soit amovible et prévoir un jeu d'ajutages de calibres différents.
En variante, on peut concevoir l'outil de telle sorte que son ajutage soit de section variable et réglable à volonté. A cet effet, dans une forme de réalisation particulière de l'outil selon l'invention, l'ajutage comprend plusieurs orifices calibrés de section réglable et ceux-ci sont obtenus par superposition de deux plaques percées de trous qui se chevauchent, les deux plaques étant déplaçables l'une sur l'autre. Dans cette forme de réalisation particulière de l'invention, il avantageux d'utiliser des plaques
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circulaires, orientables par rotation autour d'un axe commun, les trous respectifs des deux plaques étant disposés en cercles concentriques autour dudit axe commun de rotation.
Dans une forme de réalisation particulière de l'invention, l'ouverture de la chambre du corps de l'outil est multiple et comprend des buses qui traversent la paroi de la chambre. Dans cette forme de réalisation de l'invention, les buses sont généralement disposées entre les lames métalliques portant les éléments tranchants. Elles sont avantageusement disposées de manière sensiblement symétrique autour de l'axe de révolution du corps de l'outil.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, l'ouverture de la chambre du corps de l'outil est multiple et comprend des échancrures qui sont pratiquées entre les lames portant les éléments tranchants.
Dans une forme de réalisation supplémentaire de l'invention, l'ouverture de la chambre du corps de l'outil comprend un trou circulaire ou polygonal, ménagé axialement dans la paroi de la chambre et les lames métalliques portant les éléments tranchants sont en encorbellement au devant du trou (conception dite"crowfoot"en langage anglo-saxon).
Dans une forme de réalisation modifiée de l'outil selon l'invention, le corps de celuici comprend plusieurs chambres, par exemple trois chambres identiques disposées symétriquement autour de l'axe du corps, chaque chambre comprenant au moins un ajutage calibré et au moins une ouverture comme exposé plus haut.
En pratique, on préfère que le corps de l'outil ne comprenne qu'une seule chambre.
L'outil selon l'invention convient pour le forage de tout type de puits. Il est spécialement conçu pour le forage de puits de grande profondeur pour l'exploitation de gisements souterrains, particulièrement des puits de mine, des puits de pétrole et des puits de gaz.
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L'invention concerne dès lors également l'utilisation de l'outil conforme à l'invention pour le forage de puits de mine, de pétrole ou de gaz.
Des particularités et détails de l'invention vont apparaître au cours de la description suivante des dessins annexés.
La figure 1 montre en section axiale une première forme de réalisation de l'outil selon l'invention ; La figure 2 montre, de face, l'outil de la figure 1 ; La figure 3 est une vue analogue à la figure 1, d'une seconde forme de réalisation de l'outil selon l'invention ; et La figure 4 est une vue de face de l'outil de la figure 3.
Dans ces figures, des mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
L'outil représenté aux figures 1 et 2 comprend un corps de révolution en acier 1, auquel sont fixées des lamelles métalliques 2. Celles-ci portent des éléments tranchants diamantés 3, par exemple du type PDC.
Le corps 1 de l'outil est destiné à être fixé, à son extrémité postérieure 6, sur un arbre d'entraînement, non représenté, couplé à un moteur non représenté.
Conformément à l'invention, une chambre 4 est ménagée à l'intérieur du corps 1 de l'outil. La chambre 4 est de révolution autour de l'axe 5 du corps 1 de l'outil. Une série d'ajutages 7 traversent l'extrémité postérieure 6 du corps 1 et débouchent dans
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la partie d'amont de la chambre 4. La paroi d'aval de la chambre 4 est percée, entre les lames 2, d'ouvertures 10 dans lesquelles sont enchâssées des buses calibrées 11.
Pendant l'utilisation de l'outil représenté aux figures 1 et 2, le corps 1 de l'outil est soumis à une rotation autour de son axe de révolution 5 et les ajutages 7 sont alimentés avec un fluide de forage sous pression. Par passage dans les ajutages calibrés, le fluide subit une perte de charge, définie par la section globale des ajutages. Le fluide traverse ensuite la chambre 4 et sort de celle-ci par les buses 11 pour refroidir les éléments tranchants 3 et évacuer les débris de roche produits par le forage.
Dans un agencement particulier de l'outil des figures 1 et 2, les ajutages 7 sont formés par superposition de deux plaques 8 et 9 (Figure 1), percées de rangées circulaires de trous qui se chevauchent. Cet agencement permet de régler la section de passage des ajutages, par une rotation de la plaque 9 sur la plaque 8. II présente de la sorte l'avantage de permettre un réglage de la perte de charge du fluide de forage dans l'outil, pour l'adapter, par exemple, aux caractéristiques du fluide de forage utilisé ou à des exigences particulières de l'utilisateur.
Dans une autre variante de l'outil des figures 1 et 2, la partie d'aval 13 de la chambre 4 est élargie. Cet élargissement 13 de la chambre 4 est destiné à uniformiser l'écoulement du fluide de forage et à réduire sa vitesse avant son passage dans les buses 11.
L'outil conforme à l'invention, représenté aux figures 3 et 4 a la conception "crowfbot". A cet effet, la chambre 4 comprend, à son extrémité d'aval, une
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ouverture axiale unique 10 de grand diamètre et les lames 2 portant les éléments ZD tranchants 3 ont leur extrémité 12 en encorbellement en avant de ladite ouverture 10. La partie d'aval 13 de la chambre 4 peut avantageusement être élargie par rapport à sa partie d'amont, comme dans le cas de l'outil des figures 1 et 2.
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De même, comme dans le cas de l'outil des figures 1 et 2, les ajutages calibrés 7 peuvent être formés par la superposition de deux plaques 8 et 9 (Figure 3), percées de rangées circulaires de trous qui se chevauchent.