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Trépan rotatif pour le forage de puits L'invention concerne le forage de puits cylindriques, en particulier des puits cylindriques de grande profondeur tels que des puits de mine, des puits de pétrole et des puits de gaz.
L'invention concerne plus spécialement un trépan rotatif pour le forage de tels puits.
Les trépans rotatifs pour le forage des puits profonds tels que les puits de pétrole et les puits de mine sont bien connus en technique. Ils comprennent, de manière générale, un corps de révolution qui porte, sur sa face avant, des éléments tranchants destinés à l'attaque de la roche. Pour forer un puits, on manoeuvre le trépan au départ d'une tour de forage ou derrick et on évacue les débris de roches formés, hors du puits. Cette évacuation des débris de roche vers l'arrière du trépan est rendue possible par la présence de cannelures sur le corps du trépan, qui favorise le passage de boue transportant les débris de roche.
Il peut arriver que le trépan se coince dans le puits en cours de formation. Cet incident n'est pas rare dans des formations rocheuses fortement fracturées, en terrain dur ou mi-dur. Il peut notamment être provoqué par le déplacement intempestif d'une plaque du massif rocheux sous l'action du fluide forage. Un coincement du trépan peut également être le résultat d'un éboulement de roche
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dans le puits, par exemple sous l'effet des vibrations générées par l'opération de forage dans le puits, ou sous l'action de la pression d'un fluide (eau, pétrole ou gaz, par exemple) dans les pores du massif rocheux.
Le décoincement du trépan est généralement difficile et occasionne une perte de temps. Dans certains cas, il se révèle impossible, particulièrement avec des trépans manoeuvrés avec une turbine, et il est alors nécessaire d'abandonner le trépan dans le puits et de dévier le forage du puits, au moyen d'un nouveau trépan. Même dans le cas où on parvient à décoincer le trépan et à l'extraire hors du puits, il est fréquemment détérioré, voire hors d'usage.
L'invention vise à remédier aux inconvénients précités des trépans connus, en fournissant un trépan de conception nouvelle, qui présente moins de risque à un coincement accidentel dans le puits ou à une détérioration au cas où il viendrait malgré tout à se coincer dans le puits.
En conséquence, l'invention concerne un trépan rotatif pour le forage de puits, comprenant un corps cannelé portant des éléments tranchants sur sa face avant, le trépan se caractérisant en ce que l'aire transversale des cannelures du corps est rapetissée près de la face arrière du corps.
Le trépan selon l'invention comprend, de manière connue en soi, un corps portant des éléments tranchants. Le corps, qui est de révolution, est habituellement
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cylindrique ou tronconique. Il sert à fixer le trépan à un arbre de jonction à un moteur. Il est habituellement en acier ou en carbure métallique, bien que toute autre matière compatible avec la destination du trépan puisse convenir.
Le corps du trépan selon l'invention porte des éléments tranchants sur sa face avant. Par définition, la face avant du corps est celle qui est amenée à faire face au front de taille du puits pendant une utilisation normale du trépan.
Les éléments tranchants sont destinés à l'attaque de la roche du puits. Ils ne sont pas critiques pour la définition et la réalisation de l'invention et peuvent avantageusement être sélectionnés parmi les éléments des types PDC, TSP et IMPREGNE qui sont bien connus en technique de forage de puits.
Le corps du trépan selon l'invention est cannelé. Les cannelures servent à évacuer les débris de roches du front de forage vers l'arrière du trépan. Elles peuvent être rectilignes ou spiralées. Dans le cas de cannelures rectilignes, celles-ci sont habituellement inclinées par rapport à l'axe du corps.
Selon l'invention, les cannelures du corps du trépan sont rapetissées près de la face arrière du corps.
On entend désigner, par face arrière du corps du trépan, la face de celui-ci qui est dirigée vers l'extrémité ouverte du puits, pendant une utilisation normale du trépan pour le forage d'un puits. Ladite face arrière du corps du trépan est normalement fixée à l'arbre de jonction au moteur servant à entraîner le trépan.
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Dans le trépan selon l'invention, le rapetissement des cannelures près de la face arrière du corps réduit la grosseur des blocs de roches qui seraient susceptibles de se détacher de la paroi et de venir se coincer dans les cannelures. On réduit de la sorte le risque d'un blocage et d'une immobilisation du trépan dans le puits. Toutes autres choses égales, la valeur optimum du rapetissement des cannelures va dépendre de divers paramètres, parmi lesquels figurent notamment la nature de la roche dans laquelle on fore le puits, le diamètre du trépan, le type de trépan utilisé et la constitution de ses éléments tranchants, ainsi que la puissance du moteur servant à entraîner le trépan. Cette valeur optimum doit être déterminée dans chaque cas particulier par l'homme du métier, au bureau d'études ou au moyens d'essais.
Tout moyen approprié peut être mis en oeuvre pour rapetisser les cannelures près de la face arrière du corps du trépan. A cet effet, dans une première forme de réalisation du trépan selon l'invention, les cannelures contiennent un plot qui est fixé au corps du trépan, près de la face arrière dudit corps. Dans une seconde forme de réalisation, qui est préférée, le corps du trépan comprend, près de sa face arrière, un anneau axial qui chevauche les cannelures.
Dans une forme de réalisation avantageuse du trépan selon l'invention, les arêtes longitudinales des cannelures sont arrondies. Dans cette forme de réalisation de l'invention, des arêtes arrondies réduisent le risque que les arêtes des cannelures entaillent la paroi du puits et
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libère des débris de roches susceptibles de bloquer le trépan. Elles facilitent par ailleurs le dégagement du trépan au cas où un débris de roche viendrait à se coincer dans une cannelure. Le choix du rayon de courbure optimum des arêtes longitudinales des cannelures va dépendre notamment du diamètre du corps du trépan, de la largeur et de la longueur desdites arêtes ainsi que la nature de la roche. Elles doivent être déterminées dans chaque cas particulier par l'homme du métier, au bureau d'étude ou au moyen d'essais.
En règle générale, on choisit avantageusement des rayons de courbure supérieurs à 1 mm et inférieur à 100 mm, les valeurs de 2 à 50 mm convenant généralement bien.
Dans une autre forme de réalisation avantageuse du trépan selon l'invention, l'arête postérieure des nervures délimitant les cannelures est inclinée sur l'axe du corps, de manière à former un angle aigu avec l'arête longitudinale desdites nervures. De la sorte, pendant l'utilisation du trépan dans un puits vertical ou oblique, l'arête postérieure des nervures est inclinée vers le fonds et le centre du puits ; on réduit ainsi le risque que des débris de roches se coincent derrière le trépan, entre les nervures et la paroi du puits et empêchent une extraction du trépan hors du puits. Dans une variante avantageuse de cette forme de réalisation de l'invention, les nervures des cannelures portent un élément tranchant sur leur arête postérieure.
Cet élément tranchant, qui est avantageusement du type PDC ou bloc de diamant impregné, est destiné à faciliter une extraction
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du trépan hors du puits, en brisant les débris de roches qui bloqueraient le trépan.
Le trépan selon l'invention est de préférence du type à taillants fixes. Les trépans du type à taillants fixes (habituellement dénommés n fixed cutter drill bits"dans la littérature anglo-saxonne) sont bien connus pour le forage de puits de pétrole ou de gaz et sont notamment fabriqués par DIAMANT DRILLING SERVICES. Dans cette forme de réalisation préférée de l'invention, les éléments tranchants sont avantageusement disposés sur des lames métalliques fixées au corps du trépan. Les lames métalliques peuvent être indifféremment rectilignes ou spiralées.
L'invention a également pour objet un trépan rotatif du type à taillants fixes pour le forage de puits, comprenant, d'une part, un corps et, d'autre part, des éléments tranchants qui sont disposés sur des lames métalliques, fixées au corps susdit, des silentblocs étant interposés entre les lames et le corps.
Le corps du trépan conforme à cet objet de l'invention peut être lisse ou cannelé. Dans le cas d'un corps cannelé, celui-ci peut avantageusement présenter les caractéristiques énoncées plus haut.
Les lames métalliques peuvent être rectilignes et radiales, ou spiralées. Les éléments tranchants peuvent être sélectionnés parmi les éléments des types PDC, TSP et IMPREGNE.
Dans le trépan conforme à cet objet de l'invention, les silentblocs peuvent être en caoutchouc ou en toute autre
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matière élastomère ou matière métallique flexible compressible. La fixation des lames au corps du trépan est généralement réalisée par des tiges métalliques traversant les silentblocs.
Dans le trépan conforme à cet objet de l'invention, les silentblocs ont pour fonction de servir d'amortisseurs, en cas de coincement et de blocage du trépan dans un puits, réduisant ainsi les risques de détérioration du trépan ; une autre fonction peut être, également, d'exercer une pression sur la paroi du puit pour favoriser la stabilité du trépan.
Dans une forme de réalisation particulière du trépan conforme à cet objet de l'invention, les silentblocs sont interposés entre le corps et la partie postérieure des lames, la partie antérieure desdites lames étant soudée au corps. Dans cette forme de réalisation de l'invention, la partie postérieure des lames est avantageusement échancrée et les éléments tranchants sont de préférence sur la partie antérieure des lames. On entend désigner par partie antérieure et partie postérieure des lames, respectivement la partie de celles-ci qui est orientée vers la face avant du corps et la partie desdites lames qui est orientée vers la face arrière du corps, lesdites face avant et face arrière du corps ayant été définies plus haut.
Les longueurs respectives optimums des parties antérieure et postérieure des lames va dépendre des divers paramètres et doivent être déterminées par l'homme du métier dans chaque cas particulier. En pratique, la partie postérieure échancrée des lames est par exemple généralement comprise entre 25 et 100 % de la longueur totale de la lame.
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Dans une forme particulière du trépan la partie antérieure de la lame, au lieu d'être fixée par un silent bloc, peut être fixée de manière rigide, soit en suprimant le dégagement de l'extrémité de la lame, soit en soudant l'extrémité de la lame ; il est également possible, pour assurer plus de rigidité, de pratiquer un soudage à divers endroits de la lame dégagée, les dimensions de cette soudure étant facilement déterminée par l'homme de métier. En lieu et place de soudure on peut aussi laisser l'acier de base lors du fraisage des dégagements de la lame. Il sera cependant important de maintenir un minimum de passage pour la boue entre le corps de l'outil et la lameafin d'assurer le dégagement des débris de roches, ce qui est également une fonction essentielle de ce mode de construction.
Les trépans selon l'invention conviennent pour le forage de tout type de puits. Ils sont spécialement conçus 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.
Des particularités et détails de l'invention vont apparaître au cours de la description suivante de quelques formes de réalisation des trépans selon l'invention, en référence aux dessins annexés.
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La figure 1 montre, en section axiale, une forme de réalisation particulière d'un trépan conforme à l'invention ; La figure 2 est une coupe transversale selon le plan IIII de la figure 1 ; La figure 3 montre en perspective une autre forme de réalisation particulière d'un trépan conforme à l'invention ; La figure 4 montre un détail du trépan de la figure 3.
La figure 5 montre une réalisation particulière de l'outil avec des lames soudées aux extrémités ; dans une variante proche de cette réalisation, non représentée, les lames sont libres avec seulement un embout fixé au corps de l'outil.
La figure 6 montre une réalisation particulière de l'outil dont les lames sont fixées par au moins deux silentblocs par lame.
La figure 7 montre une réalisation particulière de l'outil où l'ensemble de la lame est fixée au corps par des silentblocs.
La figure 8 montre une réalisation particulière de l'outil où la lame présente une inflexion de spirale parallèle à l'axe de l'outil, lorsque l'on atteint le diamètre extérieure de l'outil.
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Dans ces figures, des mêmes éléments de référence désignent des éléments identiques.
Le trépan représenté aux figures 1 et 2 comprend un corps de révolution en acier, désigné dans son ensemble par la notation de référence 1. La face avant du corps 1 porte des éléments tranchants 2 (par exemple du type PDC) et sa face arrière 3 est destinée à être fixée à un arbre d'entraînement couplé à un moteur (l'arbre et le moteur n'étant pas représentés).
Le corps 1 du trépan est cannelé. A cet effet, il porte une couronne nervurée 4, solidarisée au corps 1 au moyen de tenons 5. Les cannelures 6 du corps du trépan sont délimitées entre des nervures axiales 7 de la couronnée 4. Les nervures 7 portent avantageusement un revêtement abrasif 8 (par exemple des éléments tranchants du type PDC) sur leur arête longitudinale axiale.
Les cannelures 6 servent, au cours du forage d'un puits, à la circulation du fluide de forage et des débris de roches, depuis le front de taille vers l'arrière du trépan, pour les évacuer hors du puits. A cet effet, les nervures 7 peuvent être rectilignes ou former des hélices autour du corps 1.
Conformément à l'invention, un anneau axial 9 est fixé à l'extrémité postérieure des nervures 7. Le diamètre de l'anneau 9 est choisi de telle sorte qu'il chevauche les cannelures 6. L'anneau 9 a pour fonction de limiter la grosseur des blocs de roches qui seraient susceptibles de
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se détacher de la paroi du puits et de tomber dans les cannelures 6.
Par ailleurs, dans une variante avantageuse du trépan, l'arête postérieure 10 des nervures 7 est inclinée sur l'axe de révolution du corps 1, de manière à former un angle aigu avec l'arête longitudinale 8 des nervures 7.
Cette caractéristique du trépan présente l'avantage d'empêcher que des blocs de roches se détachant de la paroi du puits viennent s'insérer entre les nervures 7 et la paroi du puits. Une caractéristique avantageuse de cette variante du trépan consiste en la présence d'un élément tranchant 11 (par exemple du type PDC ou bloc de diamant impregné) sur les l'arête postérieure 10 des nervures 7, à la périphérie de celles-ci. Cet élément tranchant 11 sert à faciliter un dégagement du trépan pour l'extraire du puits.
Dans le trépan représenté aux figures 3 et 4, les éléments tranchants 2, du type PDC ou bloc de diamant impregné, sont disposés sur des lames métalliques spiralées 12. Les lames 12 ont leur partie antérieure 13 soudée au corps 1 du trépan ou ces mêmes parties ont été fraisées dans la masse du corps du trépan. Leur partie postérieure 14 est échancrée, de manière à former une aile écartée du corps 1. Des silentblocs cylindriques 15 en matière élastomère sont interposés entre l'extrémité postérieure des ailes 14 et le corps 1. La fixation des ailes 14 au corps 1 est assurée par des vis 16 traversant les silentblocs 15.
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Dans le trépan des figures 3 et 4, les silentblocs 15 servent à amortir les chocs subis par le trépan pendant le forage d'un puits. Le rapport optimum entre la longueur de la partie antérieure 13 et celle de l'aile 14 va dépendre de divers paramètres, notamment des dimensions et du profil du trépan, d'une part, et des conditions de travail auxquelles on destine celui-ci, d'autre part.
Dans le trépan de la figure 5, les lames sont reliées par des soudures 17 au corps 1 du trepan, au bout de leur partie potérieure échancrée 14.
L'évidement formé par l'échancrure des lames, représenté sur les figures 3 à 7, permet d'éviter le colmatage entre les lames pendant le forage, pendant les ajouts de tiges et pendant le retrait du train de tige du puit.