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Outil pour le forage de puits L'invention concerne le forage de puits cylindriques, en particulier de puits cylindriques de grande profondeur tels que des puits de mine, des puits de pétrole et des puits de gaz.
L'invention concerne plus particulièrement un outil pour le forage de tels puits, comprenant un trépan rotatif et un organe de jonction du trépan à un moteur.
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 latérale périphérique et sur sa face avant, des éléments tranchants destinés à l'attaque de la roche. Pour forer un puits, on couple le corps du trépan à un moteur et on manoeuvre l'ensemble constitué du trépan et de son moteur au départ d'une tour de forage ou derrick situé hors du puits.
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 de forage. Un coincement du trépan peut également être le résultat d'un éboulement de roche dans le puits, par exemple sous l'effet des
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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.
Dans certains cas, il se révèle impossible et il est alors nécessaire d'abandonner le trépan dans le puits et de dévier le forage du puits, au moyen d'un autre trépan.
L'abandon d'un trépan coincé dans un puits constitue évidemment une perte matérielle. Pour réduire cette perte matérielle, on a cherché à récupérer le moteur du trépan coincé. Un moyen proposé à cet effet consiste à coupler le moteur au trépan par l'intermédiaire d'un organe de jonction comprenant une pièce de rupture conçue pour se rompre sous l'effet d'une force de traction calibrée.
Dans les document US-A-4728124 et FR-A-2244904, l'organe de jonction comprend un embout d'arbre fixé au trépan et un ambout d'arbre fixé au moteur ; deux embouts d'arbres étant disposés dans le prolongement l'un de l'autre et solidarisés l'un à l'autre par l'intermédiaire de la pièce de rupture précitée. Ce moyen connu a le désavantage d'allonger la liaison du moteur au trépan, de réduire la rigidité de cette liaison et, par voie de conséquence, d'augmenter le risque de coincement du trépan dans le puits.
L'invention vise à remédier à cet inconvénient des outils de forage connus, en fournissant un outil de forage de conception nouvelle, dans lequel la rigidité de la liaison du trépan au moteur n'est pas affaiblie par l'organe de jonction muni d'une pièce de rupture.
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En conséquence, l'invention concerne un outil pour le forage de puits, comprenant un trépan rotatif et un organe de jonction du trépan à un moteur, dans lequel le trépan comprend un corps de révolution, portant des éléments tranchants sur sa face latérale et l'organe de jonction comprend une pièce de rupture sous l'action d'une force de traction calibrée, exercée entre le trépan et le moteur ; l'invention, l'outil se caractérise en ce que l'organe de jonction est logé dans une chambre ménagée axialement dans le corps du trépan.
Le trépan selon l'invention comprend, de manière connue en soi, un corps portant des éléments tranchants. Le corps est de révolution. Il est habituellement cylindrique ou tronconique. 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 latérale et 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. La face latérale du corps est celle qui fait face à la paroi du puits en cours de forage.
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.
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Le corps du trépan selon l'invention est destiné à être couplé à un moteur au voisinage de sa face arrière. On entend désigner par face arrière du corps, la face de celui-ci, qui est dirigée vers l'extrémité ouverte du puits en cours de forage.
Le couplage du moteur au corps du trépan est réalisé par l'intermédiaire d'un organe de jonction comprenant une pièce de rupture. La pièce de rupture solidarise la jonction du moteur au corps du trépan et elle est calibrée pour se briser et désolidariser cette jonction dès qu'un effort de traction de grandeur définie est exercé entre le moteur et le trépan. Des organes de jonction comprenant une pièce de rupture sont communément utilisés dans les outils servant au forage de puits et sont dès lors bien connus en technique.
Dans l'outil de forage selon l'invention, l'organe de jonction et sa pièce de rupture ne sont pas critiques pour la réalisation de l'invention.
Conformément à l'invention, l'organe de jonction est logé dans une chambre qui est ménagée dans le corps du trépan.
Cette particularité constructive de l'outil de forage selon l'invention réalise un couplage direct du moteur au corps du trépan, sans arbre intermédiaire. Il en résulte le double avantage d'un encombrement réduit, d'une part, et d'une rigidité optimum du couplage, d'autre part, ce qui réduit les risques de coincement du trépan dans le puits.
Dans une forme de réalisation particulière du trépan selon l'invention, l'organe de jonction comprend un noyau cylindrique ou tronconique cylindrique qui est ajusté
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dans la chambre et la pièce de rupture comprend au moins une cheville solidarisant le noyau au corps du trépan.
Dans une première variante de cette forme de réalisation particulière de l'invention, la cheville relie radialement le noyau au corps du trépan. Dans cette variante de l'invention, la rupture de la cheville se fait par cisaillement, dès que l'effort de traction entre le moteur et le corps du trépan excède une valeur définie. Un exemple d'organe de jonction conforme à cette variante de réalisation de l'invention est accessible dans le document FR-A-2244904.
Dans une seconde variante de la forme de réalisation particulière susdite de l'invention, la cheville relie axialement le noyau au corps du trépan. Dans cette variante de l'invention, la rupture de la cheville se fait en traction, dès que l'effort de traction entre le moteur et le corps du trépan excède une valeur définie.
Un exemple d'organe de jonction conforme à cette variante de réalisation de l'invention est accessible dans le document US-A-4728124.
Dans la forme de réalisation particulière de l'invention, décrite ci-dessus et ses deux variantes d'exécution, on recommande d'utiliser plusieurs chevilles, de préférence au moins trois chevilles, qui sont réparties uniformément autour de l'axe de la 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
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gisements souterrains de matières premières, particulièrement des puits de mine, des puits de pétrole et des puits de gaz.
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 figures, qui représentent une forme de réalisation particulière de l'outil de forage selon l'invention.
La figure 1 montre, en section axiale longitudinale, une forme de réalisation préférée de l'outil de forage selon l'invention; La figure 2 est une section transversale selon le plan II-II de la figure 1; La figure 3 est une section transversale selon le plan III-III de la figure 1.
Dans ces figures, des mêmes notations de référence désignent des éléments identiques.
L'outil selon l'invention, représenté aux figures comprend un trépan rotatif pour le forage de puits cylindriques. Le trépan comprend un corps de révolution 1 en acier. Le corps 1 porte des éléments tranchants 2 sur sa face avant 3 et sur sa face latérale 4. A l' arrière
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des éléments tranchants 2, la face latérale 4 du corps 1 porte des nervures longitudinales 5.
Les éléments tranchants 2 sont avantageusement du type PDC. Les nervures 5 forment entre elles des cannelures qui sont destinées à la circulation d'un fluide de forage et des débris de roches depuis le front de taille vers la sortie du puits. Elle peuvent avoir un profil longitudinal ou hélicoïdal.
Conformément à l'invention, une chambre cylindrique 6 est ménagée à l'intérieure du corps 1 du trépan. La chambre 6 est de révolution autour de l'axe longitudinale 13 du corps 1 du trépan. La chambre 6 sert à recevoir un organe pour la jonction du trépan à un moteur, non représenté.
Cet organe de jonction comprend un noyau cylindrique 7 qui se trouve engagé dans la chambre 6 du trépan. Le noyau 7 est immobilisé axialement contre deux épaulement 8 de la paroi de la chambre 6. Il est en outre solidarisé au corps 1 du trépan dans le sens rotatoire, au moyen d'un assemblages par rainures et cannelures longitudinales 9. Six chevilles 10, uniformément répartie à la périphérie du noyau 7, relient axialement celui-ci au corps 1 du trépan. Les chevilles 10 servent à retenir le noyau 7 contre les deux épaulement 8 de la chambre 6.
L'extrémité arrière 11 du noyau 7 déborde légèrement l'extrémité arrière 12 du corps 1 du trépan. Elle est taraudée, pour permettre sa jonction à l'arbre du moteur, non représenté.
Conformément à l'invention, les chevilles 10 présentent une résistance calibrée à la rupture par cisaillement.
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Pendant l'exploitation du trépan pour le forage d'un puits, un moteur est couplé à l'extrémité 11 du noyau 7.
L'assemblage des nervures et cannelures 9 transmet le couple du moteur au trépan, les épaulements 8 permettent la poussée du trépan contre le front de taille du puits et les chevilles 10 permettent d'extraire le trépan avec son moteur hors du puits.
Pour désolidariser le moteur du trépan en cas de coincement accidentel de celui-ci dans le puits, on exerce une traction sur le moteur dans le sens de la flèche X. Dès que l'effort de traction dépasse une valeur définie, prédéterminée, les chevilles 10 se brisent, libérant le noyau 7 qui peut dès lors coulisser hors de la chambre 6.
Dans l'outil représenté aux figures 1 à 3, le noyau 7 et la chambre 6 ont un profil cylindrique. En variante, ils pourraient présenter un profil tronconique tel que leur section tranversale aille en augmentant dans le sens de la flèche X.
Dans l'outil représenté aux figures, l'extrémité arrière 11 du noyau 7 déborde l'extrémité arrière 12 du corps 1 du trépan. En variante, la position de l'extrémité arrière 11 du noyau 7 pourrait affleurer l'extrémité arrière 12 du corps du trépan ou se trouver à l'intérieur de la chambre 6. La position optimum de l'extrémité arrière 11 du noyau 7 par rapport à l'extrémité arrière 12 est celle qui minimise la distance entre le moteur et le trépan. En pratique, elle va dépendre de
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l'encombrement du moteur et de la longueur de l'arbre moteur.
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The invention relates to the drilling of cylindrical wells, in particular of deep cylindrical wells such as mine shafts, oil wells and gas wells.
The invention relates more particularly to a tool for drilling such wells, comprising a rotary drill bit and a member for joining the drill bit to a motor.
Rotary drill bits for drilling deep wells such as oil wells and mine shafts are well known in the art. They generally comprise a body of revolution which carries, on its peripheral lateral face and on its front face, cutting elements intended for attacking the rock. To drill a well, the body of the drill bit is coupled to an engine and the assembly consisting of the drill bit and its engine is operated from a drilling tower or derrick located outside the well.
The drill bit may get stuck in the well being formed. This incident is not uncommon in heavily fractured rock formations, in hard or semi-hard terrain. It can in particular be caused by the untimely movement of a plate of the rock mass under the action of the drilling fluid. A bit jamming can also be the result of rock collapsing in the well, for example under the effect of
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vibrations generated by the drilling operation in the well, or under the action of the pressure of a fluid (water, oil or gas, for example) in the pores of the rock mass.
Loosening the drill bit is generally difficult.
In some cases, it turns out to be impossible and it is then necessary to abandon the drill bit in the well and to divert the drilling of the well, by means of another drill bit.
The abandonment of a drill bit stuck in a well obviously constitutes a material loss. To reduce this material loss, we sought to recover the engine from the stuck drill bit. One means proposed for this purpose consists in coupling the motor to the drill bit by means of a junction member comprising a rupture part designed to rupture under the effect of a calibrated tensile force.
In documents US-A-4728124 and FR-A-2244904, the joining member comprises a shaft end fixed to the drill bit and a shaft end fixed to the motor; two shaft ends being arranged in the extension of one another and secured to one another by means of the abovementioned rupture part. This known means has the disadvantage of lengthening the connection of the motor to the drill bit, of reducing the rigidity of this connection and, consequently, of increasing the risk of jamming of the drill bit in the well.
The invention aims to remedy this drawback of known drilling tools, by providing a drilling tool of new design, in which the rigidity of the connection of the drill bit to the engine is not weakened by the junction member provided with a breaking piece.
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Consequently, the invention relates to a tool for drilling wells, comprising a rotary drill bit and a member for joining the drill bit to a motor, in which the drill bit comprises a body of revolution, carrying cutting elements on its lateral face and l the joining member comprises a rupture part under the action of a calibrated tensile force, exerted between the drill bit and the motor; the invention, the tool is characterized in that the joining member is housed in a chamber formed axially in the body of the drill bit.
The drill bit according to the invention comprises, in a manner known per se, a body carrying cutting elements. The body is revolutionary. It is usually cylindrical or frustoconical. It is usually made of steel or metal carbide, although any other material compatible with the purpose of the drill bit may be suitable.
The body of the drill bit according to the invention carries cutting elements on its lateral face and on its front face. By definition, the front face of the body is that which faces the working face of the well during normal use of the drill bit. The lateral face of the body is that which faces the wall of the well being drilled.
The cutting elements are intended for attacking the rock of the well. They are not critical to the definition and implementation of the invention and can advantageously be selected from elements of the PDC, TSP and IMPREGNE types which are well known in the well drilling technique.
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The drill bit body according to the invention is intended to be coupled to a motor in the vicinity of its rear face. The term “rear face of the body” is intended to denote the face of the latter, which is directed towards the open end of the well being drilled.
The coupling of the motor to the body of the drill bit is carried out by means of a joining member comprising a rupture part. The rupture part secures the junction of the motor to the body of the bit and is calibrated to break and separate this junction as soon as a traction force of defined size is exerted between the motor and the bit. Junction members comprising a rupture part are commonly used in tools used for drilling wells and are therefore well known in the art.
In the drilling tool according to the invention, the junction member and its rupture part are not critical for the realization of the invention.
According to the invention, the junction member is housed in a chamber which is formed in the body of the drill bit.
This constructive feature of the drilling tool according to the invention achieves direct coupling of the motor to the body of the drill bit, without an intermediate shaft. This results in the double advantage of a reduced bulk, on the one hand, and of an optimum rigidity of the coupling, on the other hand, which reduces the risks of jamming of the drill bit in the well.
In a particular embodiment of the drill bit according to the invention, the joining member comprises a cylindrical or frustoconical cylindrical core which is adjusted
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in the chamber and the rupture part comprises at least one pin securing the core to the body of the drill bit.
In a first variant of this particular embodiment of the invention, the pin radially connects the core to the body of the drill bit. In this variant of the invention, the ankle breaks by shearing, as soon as the tensile force between the motor and the bit body exceeds a defined value. An example of a junction member in accordance with this variant embodiment of the invention is available in document FR-A-2244904.
In a second variant of the aforementioned particular embodiment of the invention, the pin axially connects the core to the body of the drill bit. In this variant of the invention, the ankle breaks in traction, as soon as the traction force between the motor and the bit body exceeds a defined value.
An example of a junction member in accordance with this variant embodiment of the invention is available in document US-A-4728124.
In the particular embodiment of the invention, described above and its two alternative embodiments, it is recommended to use several pins, preferably at least three pins, which are distributed uniformly around the axis of the chamber .
The tool according to the invention is suitable for drilling any type of well. It is specially designed for drilling very deep wells for the exploitation of
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underground deposits of raw materials, particularly mine shafts, oil wells and gas wells.
The invention therefore also relates to the use of the tool according to the invention for drilling mine, oil or gas wells.
Special features and details of the invention will appear during the following description of the figures, which represent a particular embodiment of the drilling tool according to the invention.
Figure 1 shows, in longitudinal axial section, a preferred embodiment of the drilling tool according to the invention; Figure 2 is a cross section along the plane II-II of Figure 1; Figure 3 is a cross section along the plane III-III of Figure 1.
In these figures, the same reference notations designate identical elements.
The tool according to the invention, shown in the figures comprises a rotary drill bit for drilling cylindrical wells. The drill bit comprises a body of revolution 1 made of steel. The body 1 carries cutting elements 2 on its front face 3 and on its lateral face 4. At the rear
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cutting elements 2, the lateral face 4 of the body 1 carries longitudinal ribs 5.
The cutting elements 2 are advantageously of the PDC type. The ribs 5 form between them grooves which are intended for the circulation of a drilling fluid and rock debris from the working face towards the exit of the well. They can have a longitudinal or helical profile.
According to the invention, a cylindrical chamber 6 is formed inside the body 1 of the drill bit. The chamber 6 is of revolution around the longitudinal axis 13 of the body 1 of the drill bit. Chamber 6 serves to receive a member for joining the drill bit to a motor, not shown.
This joining member comprises a cylindrical core 7 which is engaged in the chamber 6 of the drill bit. The core 7 is immobilized axially against two shoulders 8 of the wall of the chamber 6. It is also secured to the body 1 of the drill bit in the rotary direction, by means of an assembly by longitudinal grooves and grooves 9. Six dowels 10, uniformly distributed around the periphery of the core 7, connect it axially to the body 1 of the drill bit. The pins 10 serve to retain the core 7 against the two shoulders 8 of the chamber 6.
The rear end 11 of the core 7 slightly projects beyond the rear end 12 of the body 1 of the drill bit. It is tapped to allow it to be joined to the motor shaft, not shown.
According to the invention, the pins 10 have a calibrated resistance to shear rupture.
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During the operation of the drill bit for drilling a well, a motor is coupled to the end 11 of the core 7.
The assembly of the ribs and grooves 9 transmits the torque from the motor to the drill bit, the shoulders 8 allow the bit to be pushed against the cutting face of the well and the pins 10 allow the drill bit with its motor to be extracted from the well.
To separate the motor from the drill bit in the event of accidental jamming of the latter in the well, traction is exerted on the motor in the direction of arrow X. As soon as the traction force exceeds a defined, predetermined value, the pins 10 break, releasing the core 7 which can therefore slide out of the chamber 6.
In the tool shown in Figures 1 to 3, the core 7 and the chamber 6 have a cylindrical profile. As a variant, they could have a frustoconical profile such that their transverse section goes by increasing in the direction of arrow X.
In the tool shown in the figures, the rear end 11 of the core 7 projects beyond the rear end 12 of the body 1 of the drill bit. As a variant, the position of the rear end 11 of the core 7 could be flush with the rear end 12 of the bit body or be inside the chamber 6. The optimum position of the rear end 11 of the core 7 by compared to the rear end 12 is that which minimizes the distance between the motor and the drill bit. In practice, it will depend on
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the size of the motor and the length of the motor shaft.