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"Structure de forage de formations souterraines"
Domaine technique
L'invention se rapporte dans l'ensemble à des structures de forage pour du forage de formations souterraines et plus particulièrement à des trépans raclants tournants qui utilisent des couteaux soutenus très abrasifs qui suivent en rotation des couteaux primaires très abrasifs sur des zones sélectionnées, sur la face du trépan.
Ceux que l'on appelle des couteaux "soutenus" ont été utilisés usuellement pendant un certain temps sur des trépans raclants tournants qui utilisent des couteaux primaires très abrasifs sous la forme de comprimés de diamant polycristallin ou PDC (= Polycrystalline Diamond Compact), les couteaux primaires étant orientés avec leurs faces de coupe très abrasives orientées dans l'ensemble dans le sens de rotation prévue du trépan. Des couteaux soutenus sont typiquement utilisés pour des applications de forage qui impliquent une pénétration de formations souterraines dures ou abrasives.
L'utilisation de couteaux soutenus s'est avérée être une technique pratique pour obtenir plus de volume très abrasif appuyant sur la formation, pour augmenter la durée de vie d'un trépan et accroître sa stabilité, sans la nécessité de concevoir le trépan avec des lames en excès pour porter plus de PDC, la présence de lames supplémentaires augmentant la complexité de la conception et le coût de fabrication du trépan ainsi que compromettant potentiellement les caractéristiques hydrauliques du trépan en raison de la zone d'écoulement réduite sur la face du trépan et un positionnement moins qu'optimal des ajutages.
Cependant, des couteaux soutenus usuels sont assez agressifs et leurs positionnement et orientation sur une lame, en combinaison avec des couteaux primaires associés, peuvent amener à une agglomération de matière de formation sur la surface de la lame.
Différentes approches ont été prises pour accroître la résistance à l'usure de trépans raclants tournants qui utilisent des structures dures ou très abrasives sur la face de trépan en supplément à des couteaux très abrasifs. Par exemple, le US-A-4 554 986 de Jones décrit l'utilisation d'éléments d'usure "relativement durs" comme du carbure de tungstène ou du diamant sur des arêtes qui précèdent en rotation une rangée associée de couteaux très abrasifs.
Les brevets US- A-4 718 505 et US-A-4 823 892 de Fuller décrivent l'utilisation de ce que l'on appelle des "éléments d'abrasion" qui suivent une structure de coupe primaire, les éléments d'abrasion comprenant des particules très abrasives incrustées dans une colonnette qui suit un couteau en diamant synthétique façonné au préalable, ou incrustées dans une colonnette portant un couteau en diamant synthétique façonné au préalable. Les brevets US-A-4 889 017 et US-A-4 991 670 de Fuller et al. décrivent l'utilisation de ce
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que l'on appelle des "secondes" structures de coupe qui portent des particules très abrasives incrustées et qui suivent en rotation des "premiers" couteaux comprenant du diamant synthétique façonné au préalable.
Le US-A-4 942 933 de Barr et al. décrit des ensembles "soutenus" comprenant par exemple des bosses de carbure de tungstène cémenté imprégnées de diamants naturels et qui suivent en rotation d'autres ensembles de couteaux. Le US-A-5 186 268 de Clegg décrit l'utilisation de ce que l'on appelle des "éléments secondaires" qui suivent en rotation des éléments coupants "primaires" et qui comprennent en variante des particules très abrasives incrustées dans une colonnette, un unique corps très abrasif incrusté dans le bout extérieur d'une colonnette, ou une colonnette à extrémité en dôme, ou un "bouton", sur laquelle est appliquée une couche externe de diamant polycristallin.
Le US-A-5 222 566 de Taylor et al. représente mais ne semble pas décrire des structures qui suivent en rotation des ensembles de couteaux portés par des bords antérieurs de lames sur un trépan. Le US-A-5 244 039 de Newton et al. décrit l'utilisation d"'éléments secondaires" qui suivent en rotation des éléments coupants primaires, l'exposition des éléments secondaires variant avec la distance à partir de la partie de nez de la face de trépan.
Le US-A-5 303 785 de Duke décrit l'utilisation de côtes portant des éléments coupants en PDC à leurs extrémités antérieures en rotation, les côtes portant du diamant ou d'autres segments extrêmement durs incrustés dans leurs surfaces qui font face vers l'extérieur, et derrière, en rotation, les éléments coupants en PDC. Le US-A-5 595 252 de O'Hanlon décrit l'utilisation en variante de structures qui soit suivent soit précèdent en rotation des éléments coupants façonnés au préalable pour commander une pénétration de ceux-ci dans une formation en cours de forage.
Des trépans de forage qui portent des structures usuelles afin de réduire une résistance à l'usure manquent de procurer un accroissement suffisant du volume de matière très abrasive dans des zones critiques sur la face du trépan et ne sont pas efficaces quant à procurer une action de coupe dynamiquement stable, en raison de leur agressivité radiale.
Description de l'invention
La présente invention procure un élément coupant supplémentaire, radialement non agressif, tangentiellement efficace, qui présente un volume relativement grand de matière très abrasive pour une résistance accrue aux impacts et à l'usure d'un élément coupant associé, plus agressif, orienté de manière différente, sur le corps d'un trépan raclant tournant, tout aussi bien que procurant une protection pour le corps du trépan et une stabilité accrue pendant un forage.
L'élément coupant supplémentaire est configuré et monté sur le corps de trépan de façon à minimiser un couple supplémentaire nécessaire pour faire tourner le trépan, en procurant une surface d'appui sous des forces qui poussent l'élément coupant supplémentaire contre la formation en cours de forage dans une direction sensiblement perpendiculaire au
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profil de la face de trépan à l'endroit de l'élément coupant supplémentaire, tout en donnant la capacité de couper la formation en cours de forage avec la matière très abrasive de l'élément coupant supplémentaire dans la direction de rotation du trépan si un ou plusieurs éléments coupants primaires associés s'usaient ou faisaient défaut indûment pendant le forage.
La présente invention comprend ensemble de coupe pour une structure de forage pour forer des formations souterraines, l'ensemble de coupe comprenant : - au moins un premier élément coupant comprenant une première table très abrasive qui a une face de coupe, un côté et un premier bord de coupe déterminé à l'endroit du côté le long d'une partie périphérique de la face de coupe, la première table très abrasive étant positionnée selon une orientation appropriée pour entrer en prise avec une formation par le premier bord de coupe, et - un second élément coupant positionné à proximité dudit premier élément coupant, le second élément coupant comprenant une seconde table très abrasive qui a une face de dégagement présentant une dimension latérale le long d'une partie de cette face,
un bord latéral présentant une seconde dimension latérale supérieure à la première dimension latérale et, à proximité de la première dimension latérale, une face inclinée située entre la face de dégagement et le bord latéral le long de la partie périphérique de la face de dégagement, et une second bord de coupe déterminé entre la face de dégagement et la face inclinée, le second élément coupant étant positionné selon une orientation appropriée pour entrer en prise avec la formation par le second bord de coupe.
La table très abrasive du second élément coupant peut être portée sur l'extrémité extérieure d'un substrat configuré sous la forme d'un élément porteur en genre de colonnette, sur lequel la table très abrasive est façonnée et s'étend sur toute la section transversale de l'élément porteur. Il est préférable que la table très abrasive du second élément coupant présente une épaisseur importante, une face inclinée, chanfreinée, semi-tronconique (au moins faisant face dans la direction de la rotation visée du trépan) de dimension importante, et une face de dégagement à la périphérie radialement interne de la face inclinée. La face inclinée peut comprendre une surface arquée continue ou une série de facettes latéralement adjacentes qui imitent ensemble une surface arquée.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le second élément coupant peut être situé à une position, le long du profil du trépan, à mi-chemin ou située au moins partiellement entre deux premiers éléments coupants relativement plus agressifs, qui précèdent en rotation.
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Le second élément coupant est de préférence légèrement penché par rapport à une perpendiculaire au profil de la face de trépan, à l'endroit du second élément coupant, dans une direction s'écartant de la direction visée de rotation du trépan, de façon à former un petit angle de dégagement entre la face de dégagement et la face d'une formation en cours de coupe lorsque le trépan est en cours de forage.
De plus, le second élément coupant peut être sous-exposé par rapport à son premier élément coupant associé; c'est-à-dire que le second élément coupant fait saillie du profil de trépan sur une distance moindre que celle du premier élément coupant. De plus, le second élément coupant peut être incliné latéralement par rapport au(x) premier (s) élément(s) coupant(s) associé (s).
Des trépans raclants tournants comprenant une pluralité d'ensembles de coupe tels que décrits ci-dessus sont également compris dans la portée de la présente invention. Des trépans de ce genre peuvent présenter en particulier des ensembles de coupe de ce genre sur la zone d'épaulement du profil de trépan, bien que l'invention ne soit pas limitée ainsi. Il est considéré que des ensembles de coupe des deux configurations qui précèdent peuvent être utilisés sur le même trépan de forage.
Expliqué d'une autre manière, des ensembles de coupe comprenant un unique premier élément coupant et un unique second élément coupant peuvent être utilisés sur un trépan en combinaison avec des ensembles de coupe dans lesquels deux premiers éléments coupants radialement décalés ont un second élément coupant, qui leur est associé, au moins partiellement radialement à mi-chemin.
Dans différentes formes de réalisation, les seconds éléments coupants des ensembles de coupe de l'invention procurent une protection importante contre une usure de la matière du corps de trépan et en particulier sur des parties orientées verticalement ou axialement du profil du corps de trépan. Si un premier élément coupant se casse, un second élément coupant qui suit prend la succession pour couper la formation. Bien que le rendement puisse être diminué dans des situations de ce genre, la présence d'un second élément coupant empêche de tailler un anneau ou une rainure dans le corps ou la lame de trépan sur le profil, en permettant ainsi un remplacement du premier élément coupant défectueux lorsque le trépan est retiré du trou de sonde et lors d'une remise en route du trépan.
De plus, le positionnement et l'orientation des seconds éléments coupants favorisent une stabilité accrue du trépan même dans des situations lorsqu'une rupture du premier élément coupant ne survient pas.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront des
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revendications secondaires et de la description des dessins qui sont annexés au présent mémoire et qui illustrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation particulières de structures de coupe suivant l'invention.
Brève description des dessins
Dans les dessins qui représentent ce qui est couramment considéré être le meilleur mode de mise en #uvre de l'invention :
La figure 1 comprend une vue en perspective d'une première forme de réalisation d'un trépan raclant tournant suivant l'invention, inversée par rapport à une orientation de forage normale, pour la clarté.
La figure 2 comprend une vue de face du trépan raclant tournant de la revendication 1, en regardant vers le haut vers la face de trépan, à partir d'en-dessous, lorsque le trépan est orienté normalement pour du forage.
La figure 3 comprend une vue en perspective agrandie en regardant vers le haut et vers l'arrière à partir d'une position en-dessous et en avant, en rotation, d'une lame du trépan de la figure 1, telle qu'orientée normalement pour du forage.
La figure 4 est une vue en perspective agrandie en regardant légèrement vers le haut et l'avant, en rotation, à partir d'une position en-dessous et derrière, en rotation, une lame du trépan de la figure 1 telle qu'orientée normalement pour du forage.
La figure 5 comprend un dessin linéaire montrant des positions d'éléments coupants sur une lame du trépan de la figure 1.
La figure 6 est une vue latérale d'une configuration appropriée d'un second élément coupant à utiliser suivant l'invention.
La figure 7 est une vue latérale d'une forme de réalisation d'un ensemble de coupe comprenant des premier et second éléments coupants suivant l'invention.
La figure 8 comprend une vue en perspective d'une seconde forme de réalisation d'un trépan raclant tournant suivant l'invention, inversée par rapport à une orientation de forage normale, pour la clarté.
La figure 9 comprend une vue en perspective agrandie d'une seconde forme de réalisation d'ensembles de coupe suivant l'invention telle qu'agencée sur le trépan de la figure 8.
La figure 10 comprend une vue en perspective d'éléments coupants agencés suivant l'invention telle que représentée à la figure 1, dans laquelle un second élément coupant est disposé selon une inclinaison latérale.
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La figure 11 comprend une vue latérale schématique d'un côté d'un moule de trépan pour la fabrication d'un trépan suivant l'invention, représentant la manière suivant laquelle l'inclinaison latérale d'un second élément coupant peut être obtenue.
Meilleur mode ou meilleurs modes pour mettre en oeuvre l'invention
Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
En se référant à présent aux figures 1 à 7 des dessins, une première forme de réalisation 10 d'un trépan suivant la présente invention comprend un corps de trépan 12 qui présente une face de trépan 14 à une de ses extrémités et qui est fixé, à une extrémité opposée, à une tige 16 comportant des filets porteurs 18 pour raccorder, pour sa rotation, le trépan 10 à un train de tiges de forage et pour y appliquer un poids, comme cela est connu dans le métier. Le trépan 10 comprend une pluralité de lames 20 qui s'étendent radialement dans l'ensemble, au-dessus de la face de trépan 14 (lorsque le trépan est orienté suivant la figure 1), et qui s'étendent vers des patins de calibre 22 qui font corps avec elles et qui s'étendent latéralement, sur le côté du corps de trépan 12.
Le profil du trépan 10, ou plus précisément du corps 12, est situé le long de bords extérieurs des lames 20, entre l'axe CL du trépan 10, jusqu'aux patins de calibre 22. Une pluralité de passages de fluide 24 qui s'étendent radialement dans l'ensemble s'étendent entre les lames 20 à partir d'endroits à proximité de l'axe CL du trépan 10, jusqu'à des encoches à débris 26 situées entre les patins de calibre 22.
Une pluralité d'ajutages 28 sont disposés dans des ouvertures dans la face de trépan 14, comme cela est connu dans le métier, les ajutages 28 étant à des extrémités distales de passages qui conduisent depuis un espace intérieur ou un autre passage communiquant avec l'intérieur creux de la tige 16, qui reçoit en service du fluide de forage en provenance d'un train de tiges de forage auquel le trépan 10 est fixé, comme cela est bien connu dans le métier.
Chaque lame 20 porte une pluralité de premiers éléments coupants 30 disposés dans des poches 32 qui s'ouvrent sur le bord externe ainsi que sur le bord antérieur, en rotation, de la lame et qui sont exposés ainsi au-dessus de la lame. Les premiers éléments coupants 30 comprennent de préférence des éléments coupants en PDC comprenant des tables 34 très abrasives en comprimé de diamant polycristallin façonnées sensiblement en forme de disque et formées sur des substrats porteurs 36 sensiblement cylindriques, typiquement (mais à titre d'exemple seulement) en carbure de tungstène cémenté. Le premier élément coupant 30 a un axe longitudinal L (voir la
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figure 3) qui, dans la forme de réalisation décrite, comprend également une ligne centrale pour l'élément coupant 30.
Les premiers éléments coupants 30 sont usuellement inclinés négativement vers l'arrière, en ayant leurs faces de coupe 38 penchées vers l'arrière à l'écart de la direction de rotation visée du trépan, afin de réduire l'agressivité des bords de coupe 40 entrant en prise avec la formation lorsque le trépan tourne et qu'une charge sur le trépan (WOB = Weight On Bit) soit appliquée.
Des inclinaisons vers l'arrière à titre d'exemple pour le premier élément coupant 30 dispose l'axe longitudinal L selon un angle dans la plage à partir d'approximativement 10 jusqu'à approximativement 45 par rapport à un plan de référence tangent à la face de trépan à proximité de l'endroit de l'extrémité postérieure, en rotation, du premier élément coupant 30, et d'un second élément coupant 130 associé, tel que représenté à la figure 7 et tel que décrit davantage ci-dessous. Le trépan 12 tel que représenté dans les figures 1 à 4 comprend ce que l'on appelle un corps de trépan à "matrice" en un métal en particules (typiquement du carbure de tungstène, de l'acier ou un mélange des deux) infiltré avec un liant liquide durcit (typiquement à base du cuivre). Les premiers éléments coupants 30 sont brasés dans des poches 32 par leurs substrats 36.
Cependant, la présente invention n'est pas limitée à des trépans du type à matrice mais peut également être utilisée avec des trépans à corps en acier dans lesquels des éléments coupants sont également brasés en place comme avec des trépans du type à matrice, ou peuvent être fixés à des colonnettes dont les extrémités sont insérées dans des ouvertures façonnées dans les lames ou ailleurs dans le corps du trépan en acier.
Egalement fixés aux lames 20 et dans la zone d'épaulement de la face de trépan 14 (voir en particulier les figures 3 et 4), il y a une pluralité de seconds éléments coupants 130 qui comprennent également chacun de préférence une table très abrasive 134 en genre de disque, façonnée sur un substrat porteur sensiblement cylindrique 136 en carbure cémenté. Les seconds éléments coupants 130 sont montés chacun dans des poches 132 derrière, en rotation, et en alignement radial sensible sur la face de trépan 14 (sur la même lame 20 dans cette forme de réalisation) avec un premier élément coupant 30 qui précède en rotation, chaque paire de ce genre d'un premier élément coupant 30 et d'un second élément coupant 130 composant un ensemble de coupe suivant la présente invention.
A la différence des premiers éléments coupants 30, les seconds éléments coupants 130 sont cependant orientés sensiblement transversalement à la face de trépan, (ou, pour la simplicité, au plan de référence mentionné ci-dessus), les côtés des tables très abrasives 134 faisant face
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dans une direction visée de rotation du trépan.
Les seconds éléments coupants 130 peuvent comprendre de préférence des éléments coupants tels que décrits dans le US-A-5 706 906 de Jurewicz et al., cédé à la cessionnaire de la présente invention, dont la description est incorporée ici par ce moyen, par cette référence. Avec une référence particulière aux figures 6 et 7 des dessins à cet endroit, les éléments coupants 130 de ce genre ont de préférence une table très abrasive 134 comprenant un comprimé de diamant polycristallin en genre de disque, façonné sur, et s'étendant au travers de, l'extrémité d'un substrat 136 sensiblement cylindrique, le second élément coupant 130 présentant un axe longitudinal L.
Les seconds éléments coupants 130 sont orientés de préférence, sur la face de trépan, selon un faible angle par rapport à la perpendiculaire à la face de trépan (ou plan de référence) à l'endroit de l'élément coupant, penchés de préférence vers l'arrière et à l'écart de la direction visée de rotation, selon un faible angle a (voir la figure 6) cet angle donnant également lieu a ce que l'on appelle un "angle de dégagement" ss entre le second élément coupant 130 et la formation en cours de coupe comme cela est expliqué avec plus de détails ci-dessous.
La table très abrasive 134 a de préférence une face inclinée 140, au moins sur la partie de la table très abrasive qui fait face dans la direction de rotation visée du trépan. La face inclinée 140 peut comprendre, sur la périphérie latérale de la table très abrasive 134, un chanfrein qui s'étend complètement autour de celle-ci et qui détermine une surface tronconique ou qui purement se situe le long d'une partie de la périphérie, en déterminant une surface arquée, semi-tronconique, comme représenté sur le côté de gauche de la figure 6. En variante, la face inclinée 140 peut comprendre une série de facettes latéralement adjacentes qui imitent ensemble une surface tronconique ou semi-tronconique comme cela est représenté sur le côté de droite de la figure 6.
La face extérieure ou d'extrémité de la table très abrasive 134 comprend une face de dégagement 142 orientée perpendiculairement à l'axe longitudinal du second élément coupant 130, et la face inclinée 140 s'étend depuis la face de dégagement 142 jusqu'à la paroi latérale 144 de la table très abrasive 134. Un bord de coupe 146 est déterminé le long de la limite arquée (ou, dans le cas d'une face inclinée à facettes, la limite sensiblement arquée) entre la face inclinée 140 et la face de dégagement 142.
L'épaisseur de la table très abrasive 134, mesurée parallèlement à l'axe longitudinal L et depuis la face de dégagement 142 jusqu'à la limite 148 entre la
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table très abrasive 134 et le substrat 136, à l'endroit de la paroi latérale 144 de la table très abrasive 134, est de préférence d'au moins approximativement 0,762 mm (0,030 pouce) et, de manière mieux préférée, d'approximativement 2,54 mm à approximativement 2,794 mm (0,100 à 0,110 pouce). La profondeur de la face inclinée 140, mesurée parallèlement à l'axe longitudinal du couteau et entre la face de dégagement 142 et la paroi latérale 144, est assez importante, de préférence de l'ordre d'au moins approximativement 0,762 mm (0,030 pouce) et, plus préférablement, d'approximativement 1,27 mm (0,050 pouce).
La face inclinée 140 est également orientée selon un angle par rapport à un axe longitudinal de l'élément coupant 130, par exemple selon un angle de 45 par rapport à cela, bien que d'autres angles entre approximativement 10 et 80 , et de manière mieux préférée entre 30 et 60 , peuvent également être appropriés. Bien sûr, l'angle de pente du second élément coupant 130 ou de la face inclinée 142 peut être modifié en combinaison avec l'orientation de la face de dégagement 140 pour procurer le degré souhaité d'agressivité afin de couper tangentiellement la formation sans être indûment radialement agressif.
Les seconds éléments coupants 130 peuvent être sous-exposés (c'est- à-dire être verticalement plus éloignés de la formation) par rapport aux bords de coupe 40 des premiers éléments coupants 30, suivant une dimension donnée de par exemple 2,54 mm (0,100 pouce). Le degré de sous-exposition peut varier, à souhait, pour empêcher une entrée en prise tangentielle, considérablement agressive, d'un second élément coupant 130 avec une formation en cours de forage, jusqu'au moment où son premier élément coupant associé s'use jusqu'à un degré donné.
En variante, l'exposition du second élément coupant 130 peut être sélectionnée pour agir comme un limiteur de pénétration pour le premier élément coupant 130 associé ou peut être sélectionnée de façon à ce que le second élément coupant 130 entre immédiatement en prise avec une formation, en procurant un volume supplémentaire de matière très abrasive qui appuie sur la formation à partir du début du forage.
Comme cela peut être aisément observé en référence aux figures 3,4 et 7 des dessins, les seconds éléments coupants 130 peuvent être montés pour faire saillie de manière importante au-dessus des surfaces des lames 20 tout en étant encore sous-exposés par rapport aux bords de coupe 40 des premiers éléments coupants 30 de façon à faciliter un mouvement de fluide et un dégagement de débris de formation autour des seconds éléments coupants 130. Comme cela est sans doute le mieux représenté à la figure 5, l'exposition des seconds éléments coupants 130 par rapport aux bords de coupe 40 des premiers éléments coupants 30 peut varier pour chaque ensemble de coupe respectif.
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Il est important que l'exposition du second élément coupant 130 soit telle que la profondeur de coupe prise de la formation ne dépasse pas l'épaisseur de la table très abrasive 134 à l'endroit de la paroi latérale 144. Sinon, un endommagement du second élément coupant 130 peut découler d'un délaminage de la table très abrasive 134 par rapport au substrat 136, ou un endommagement par abrasion ou par impact au substrat 136 peut se produire. De plus, et comme noté ci-dessus, les seconds éléments coupants 130 sont penchés de préférence à l'écart de la direction de rotation visée du trépan, de façon à élever le bord de coupe 146 au-dessus de la face de dégagement 142 dans la direction de rotation visée du trépan et de façon à faciliter un cisaillement de la matière de formation.
Dans la forme de réalisation décrite, cette pente comprend une inclinaison de l'axe longitudinal L du second élément coupant 130. L'angle d'inclinaison a du second élément coupant 130 penche également la face de dégagement qui est perpendiculaire à l'axe longitudinal L, en donnant lieu à l'angle de dégagement ss, mentionné précédemment, entre la face de dégagement et la formation. L'angle d'inclinaison a et ainsi l'angle de dégagement ss peuvent aller d'approximativement 3 à approximativement 25 . En variante, un angle d'inclinaison ss peut être obtenu en façonnant la face de dégagement 142 pour présenter une pente ou inclinaison à l'écart d'un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal L et orientant, en rotation, le second élément coupant 130 de manière appropriée de façon à ce qu'il puisse être monté sans inclinaison.
Un angle d'inclinaison a de moins de 3 , et ainsi un angle de dégagement (3 semblable joue sensiblement comme si aucun angle de dégagement n'est prévu.
Les seconds éléments coupants 130 peuvent également être configurés, à titre d'exemple, comme certains couteaux de calibre très abrasifs décrits dans les US-A-5 287 936, US-A-5 346 026, US-A-5 467 836 et US-A-6 050 354 et dans la demande de brevet US n 09/212 057, tous cédés à la cessionnaire de la présente invention et dont la description de chacun est incorporée ici par cela par cette référence. Une configuration particulièrement appropriée pour le second élément coupant 130 est décrite dans le US-A-6 050 354 cité ci-dessus, figure 13, dans lequel la table très abrasive 134 présente de multiples chanfreins sur sa périphérie.
Encore une autre configuration appropriée pour le second élément coupant 130 est décrite dans la demande de brevet US n 09/205 138 cédée à la cessionnaire de la présente invention et dont la description est incorporée ici par cela par cette référence. Dans la demande de brevet 09/205 138, un manchon ou enveloppe de matière très abrasive s'étend de la table sur et le long d'un côté du substrat. Une géométrie complexe
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d'interface rainurée, entre la matière très abrasive et le substrat, est utilisée aussi bien sur l'extrémité de substrat que sur le côté de substrat couvert par la matière très abrasive.
Comme montré à la figure 7 des dessins, en lignes interrompues, le manchon ou enveloppe 139 serait placé pour faire face dans l'ensemble dans la direction de rotation visée du trépan pour une protection du substrat 136.
D'autres configurations appropriées pour le second élément coupant 130 sont décrites dans le US-A-6 003 623 de Miess.
En fonctionnement, un ensemble de coupe (voir la figure 7) qui comprend un premier élément coupant 30 et un second élément coupant 130 suivant l'invention coupe une formation en cours de forage, avec le bord de coupe 40 du premier élément coupant 30 qui précède en rotation, à mesure que le trépan tourne et que le WOB est appliqué, le second élément coupant 130 entrant alors en prise avec la formation si la profondeur de coupe du premier élément coupant 30 est suffisante, (en supposant que les deux bords de coupe 40 et 146 n'ont pas la même exposition, un agencement de ce genre étant également considéré comme étant dans la portée de l'invention).
En raison de l'orientation sensiblement transversale du second élément coupant 130 par rapport au profil du trépan à l'endroit du second élément coupant 130, la face de dégagement 142 et la face inclinée 140 adjacente, dans le sens de rotation du trépan, procurent ensemble une structure absolument radialement non agressive pour la formation, alors que le bord de coupe 146 situé entre la face de dégagement 142 et la face inclinée 140 coupe tangentiellement la formation (vers l'arc traversé par le bord coupant lorsque le trépan tourne) d'une manière très efficace.
L'angle de dégagement a procuré par la faible inclinaison préférable du second élément coupant 130 (ou en variante une face de dégagement 142 en pente) empêche la formation de purement passer sur la face de dégagement 142 du second élément coupant 130, favorise un écoulement de fluide de forage derrière le bord de coupe 146 du second élément coupant 130 et ainsi facilite un refroidissement de la table très abrasive 134 et une évacuation de fines de formation. La présence des tables très abrasives 134 robustes des seconds éléments coupants 130 procure, au contraire de trépans usuels et même de ceux qui utilisent ce que l'on appelle des "couteaux soutenus" un volume très abrasif sensiblement accru afin de réduire l'usure de la table très abrasive 34 et de parties adjacentes du corps de trépan 12, comme les lames 20.
Ainsi, la durée de vie de la table très abrasive 34 est prolongée et une usure réduite du corps de trépan 12 prolonge sa durée de vie et accroît l'aptitude à la réparation du trépan 10.
Le positionnement d'ensembles de coupe de l'invention dans la zone
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d'épaulement d'un trépan, comme décrit ici, présente à la formation un volume très abrasif supplémentaire en des endroits, sur la face de trépan, où les déplacement et vitesse de l'élément coupant sont proches d'un maximum (en raison de la position à des rayons proches du diamètre de calibre du trépan) et les éléments coupants sont soumis à une charge tangentielle (également connue comme étant de torsion) d'importante à extrême à proximité d'une zone de la formation qui présente une résistance relativement élevée, comme cela est décrit avec plus de détails dans le US- A-5 435 403 de Tibbitts et al., cédé à la cessionnaire de la présente invention et dont la description est incorporée ici par cela par cette référence.
Ainsi, des trépans équipés dans la zone d'épaulement.,d'au moins certaines des lames, avec des ensembles de coupe suivant la présente invention présentent une durabilité accrue en combinaison avec une action de coupe efficace accrue comme cela est demandé par les seconds éléments coupants 130 en raison d'une usure excessive de, d'un endommagement ou d'un défaut des premiers éléments coupants 30 pendant un forage et sans demander, dans la conception du trépan, des compromis qui peuvent accroître un coût du trépan et diminuer le rendement hydraulique.
Les seconds éléments coupants 130 procurent également une robuste surface d'appui très abrasive lors de ce que l'on appelle un "tournoiement" du trépan ou autre précession ou vibration latérale de trépan, la surface d'appui empêchant la tendance que des premiers éléments coupants 30 relativement plus agressifs "mordent" dans la paroi du trou de sonde.
Les ensembles de coupe de la présente invention, décrits ici aussi bien précédemment que subséquemment, peuvent être utilisés dans des trépans usuels équilibrés sensiblement latéralement aussi bien que dans des trépans appelés "anti- tournoiements" dans lesquels une force de déséquilibre latérale dirigée est établie intentionnellement pour pousser un côté du trépan contre la paroi du trou de sonde afin d'y circuler d'une manière sensiblement continue sur une surface d'appui du corps de trépan, par exemple d'un ou de patins de calibre unis, agrandis. La force latérale de déséquilibre et la surface d'appui unie sont, en combinaison, destinées à empêcher une rotation ou "tournoiement" destructeur vers l'arrière, de manière décalée de l'axe du trou de sonde, du trépan dans le trou de sonde.
Dans un trépan anti-tournoiement, la face de trépan adjacente de manière périphérique et en-dessous (lorsque le trépan est orienté pour du forage) de la surface d'appui sur le calibre est souvent désignée comme étant la "zone dépourvue de couteaux" de la face de trépan, comme le nombre d'éléments coupants est sensiblement réduit ou que leur présence est même éliminée Une conception de trépan de ce genre peut en conséquence être exposée à un
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endommagement indu de la face de trépan dans la zone dépourvue de couteaux.
Des ensembles de coupe de la présente invention peuvent être placés dans la zone dépourvue de couteaux et de manière spécifique sur l'épaulement du profil de trépan, à proximité du calibre, les premiers éléments coupants 30 étant sensiblement sous- exposés par rapport aux premiers éléments coupants 30 sur le restant de la face de trépan 14. Les seconds éléments coupants 130 associés aux premiers éléments coupants 30 de la zone dépourvue de couteaux sont sous-exposés par rapport à leurs premiers éléments coupants 30 associés, comme décrits ici. Lorsqu'un trépan de ce genre fonctionne en douceur et n'a pas amorcé une tendance vers du tournoiement, ni les premiers éléments coupants 30 ni leurs seconds éléments coupants 130 associés de la zone dépourvue de couteaux n'entrent en contact avec la formation.
Lorsque cependant la stabilité du trépan commence à être compromise et qu'une tendance de tournoiement hors du centre se présente, les ensembles de coupe de la zone dépourvue de couteaux entrent en prise avec la formation, en coupant la formation et en protégeant le corps de trépan tout en procurant une stabilité accrue par un contact de la matière très abrasive des seconds éléments coupants 130 avec la formation.
En se référant à présent à la figure 8 des dessins, une seconde forme de réalisation 110 d'un trépan suivant l'invention sera décrite. Pour la clarté, des éléments et particularités du trépan 10 qui ont été précédemment décrits sont identifiés par les mêmes numéros de référence en ce qui concerne le trépan 110.
La figure 8 montre en perspective que le trépan 110 est semblable au trépan 10 et comprend un corps de trépan 12 qui a une face de trépan 14 à une de ses extrémités et qui est fixé, à une extrémité opposée, à une tige 16 comportant des filets porteurs 18. Le trépan 110 comprend une pluralité de lames 20, qui s'étendent radialement dans l'ensemble, au-dessus de la face de trépan 14 (lorsque le trépan est orienté selon la figure 8) et s'étendant jusqu'à des patins de calibre 22 formant avec elles une pièce et s'étendant latéralement, sur le côté du corps de trépan 12. Les lames 20 déterminent une pluralité de passages de fluide 24 qui s'étendent radialement dans l'ensemble et qui s'étendent là entre à partir du voisinage d'une ligne centrale CL du trépan 110 jusqu'à des encoches à débris 26 déterminées entre les patins de calibre 22.
Une pluralité d'ajutages 28 sont disposés dans des ouvertures dans la face de trépan 14, comme cela est connu dans le métier, les ajutages 28 étant à des extrémités distales de passages qui conduisent depuis un espace intérieur ou un autre passage communiquant avec l'intérieur creux de la tige 16 et qui reçoit en service du
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fluide de forage en provenance d'un train de tiges de forage auquel le trépan 110 est fixé, comme cela est bien connu dans le métier.
Chaque lame 20 porte une pluralité de premiers éléments coupants 30 disposés dans des poches 32 qui s'ouvrent sur le bord antérieur, en rotation, de la lame. Les premiers éléments coupants 30 comprennent de préférence des éléments coupants en PDC comprenant des tables très abrasives 34 en comprimé de diamant polycristallin façonnées sensiblement en forme de disque et formées sur des substrats porteurs 36 sensiblement cylindriques, typiquement (mais à titre d'exemple seulement), en carbure de tungstène cémenté (voir la figure 3). Les premiers éléments coupants 30 et leur structure, configuration et orientation sur le trépan 110 peuvent être tels que décrits précédemment en ce qui concerne le trépan 10.
Le corps de trépan 12 tel que représenté à la figure 8 comprend ce que l'on appelle un corps de trépan à "matrice" de métal en particules (typiquement du carbure de tungstène, de l'acier ou un mélange des deux) infiltré avec un liant liquide durcit (typiquement à base du cuivre), de sorte que les premiers éléments coupants 30 sont brasés dans les poches 32 par leurs substrats 36. Cependant, et comme noté précédemment ici, la présente invention n'est pas limitée à des trépans du type à matrice mais peut également être utilisée avec des trépans à corps en acier dans lesquels des éléments coupants sont également brasés en place et peuvent quelque fois être fixés à des colonnettes dont les extrémités sont insérées dans des ouvertures façonnées dans les lames ou ailleurs dans le corps de trépan en acier.
Egalement fixés aux lames 20 et dans la zone d'épaulement de la face de trépan 14, il y a une pluralité de seconds éléments coupants 130 dont chacun est également formé de préférence par une table très abrasive 134, en genre de disque, façonnée sur un substrat porteur 136, sensiblement cylindrique, en carbure cémenté (voir la figure 3). Les seconds éléments coupants 130 sont montés chacun dans des poches 132 derrière, en rotation, et (sur la même lame 20 dans cette forme de réalisation) en un endroit sur le profil de trépan au moins partiellement à mi-chemin entre deux premiers éléments coupants 30 associés, antérieurs en rotation, chaque combinaison de ce genre de deux premiers éléments coupants 30 et d'un second élément coupant 130 formant un ensemble de coupe suivant l'invention.
A la différence des premiers éléments coupants 30 cependant, les seconds éléments coupants 130 sont orientés sensiblement transversalement à la face de trépan (ou, pour la simplicité, au plan de référence mentionné ci-dessus), les côtés des tables très abrasives 134 faisant face dans une direction visée de rotation du trépan.
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Il sera apprécié par ceux qui sont d'expérimentation normale dans le métier qu'en certains endroits le long du profil de trépan qui s'étend de la ligne centrale CL du trépan, le long de la surface ou profil de face externe des lames 20, jusqu'aux patins de calibre 22, ledit endroit au moins partiellement à mi-chemin d'un second élément coupant 130 sera quelque peu plus radialement que longitudinalement (dans la direction de la ligne centrale CL) à mi-chemin des endroits des premiers éléments coupants 30 associés.
D'un autre côté, lorsqu'il est adjacent ou proche de patins de calibre 22, comme sur l'épaulement de la face de trépan 14, l'endroit au moins partiellement à mi-chemin d'un second élément coupant 130 peut s'approcher des endroits radiaux de ses premiers éléments coupants 30 associés tout en étant quelque peu plus longitudinalement à mi-chemin des premiers éléments coupants 30. Les seconds éléments coupants 130 peuvent être structurés, configurés et orientés comme décrit précédemment ici en ce qui concerne le trépan 10.
La figure 9 des dessins est une représentation agrandie de premiers éléments coupants 30 et de seconds éléments coupants 130 agencés suivant la seconde forme de réalisation de l'invention, sur une lame 20a du trépan 110 de la figure 8, et orientés dans la même direction (c'est-à-dire le trépan étant inversé) pour la clarté. Le corps de trépan 12 et en particulier la lame 20a ont été omis pour la clarté.
La vue de la figure 9 est prise, en rotation, à partir de derrière les premiers éléments coupants 30. A partir de cette vue, quelqu'un d'expérimentation normale dans le métier peut observer et apprécier que le positionnement intermédiaire des seconds éléments coupants 130 de cette forme de réalisation de l'invention donne une protection aux bords externes des lames, latéralement entre des premiers éléments coupants 30, ces bords externes ayant été observés comme s'usant indûment dans certaines situations de forage qui impliquent une vibration et une précession du trépan, y compris du tournoiement.
Des situations de ce genre peuvent survenir fréquemment pendant du forage directionnel, lorsque la ligne centrale d'un trépan est souvent penchée ou inclinée ou décalée par rapport à l'axe du trou de sonde et qu'une charge latérale du trépan est d'une ampleur importante. Ainsi, en supplément aux avantages mentionnés ci-dessus et procurés par les ensembles de coupe de la première forme de réalisation de l'invention, les ensembles de coupe de la seconde forme de réalisation de l'invention procurent un avantage supplémentaire en termes de protection du corps de trépan en ce qui concerne d'empêcher une perte de premiers éléments coupants en raison d'un endommagement de la matière de lame environnante.
Les figures 10 et 11 des dessins représentent encore une autre
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particularité de la présente invention. Comme cela peut être observé à la figure 10 qui est semblable à la figure 9 en ce qu'il y est omis le corps de trépan 12 et lame 20 du trépan 10 (plutôt que du trépan 110 comme à la figure 9), des seconds éléments coupants 130a, 130b et 130c sont montrés être derrière, en rotation, des premiers éléments coupants 30a, 30b et 30c associés respectifs et sensiblement en alignement avec ceux-ci dans la direction de rotation du trépan.
Des faces de dégagement 142 des seconds éléments coupants 130a et 130b sont orientées, prises dans une direction radiale s'étendant à partir de la ligne centrale CL du trépan, sensiblement perpendiculairement à des lignes centrales 131 des faces de coupe 38 des premiers éléments coupants 30a et 30b associés, les lignes centrales 131 étant prises perpendiculairement au profil de trépan aux endroits respectifs des premiers éléments coupants 30a et 30b. D'un autre côté, le second élément coupant 130c est orienté avec sa face de dégagement 142 penchée ou inclinée par rapport à la ligne centrale 131 du premier élément coupant 30c associé.
La raison de cette orientation peut être plus aisément appréciée par référence à la figure 11 qui est une représentation schématique, par exemple, d'endroits, dans un moule de trépan 200, d'un premier ensemble de coupe comprenant des premier et second éléments coupants 30a et 130a et d'un second ensemble de coupe comprenant des premier et second éléments coupants 30c et 130c.
Comme cela est bien connu de ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier de fabrication de corps de trépan à matrice, des poches 232 et 332 qui représentent des endroits d'éléments coupants sont taillées dans la surface intérieure 202 de la cavité 204 du moule de trépan, les poches étant ensuite remplies par des volumes dimensionnés et façonnés comme les éléments coupants à placer ultérieurement sur la face de trépan 14 et en particulier sur les lames 20 dans un trépan du type à lames, afin de déterminer les poches 32 et 132 sur le corps de trépan 12 en empêchant que du carbure de tungstène en particules ou une autre matière de matrice et du liant fondu, usuellement à base de cuivre, remplissent les endroits projetés des poches 32 et 132 pendant une opération d'infiltration utilisée pour façonner le corps de trépan 12.
Comme cela peut être confirmé par référence à la figure 11, la poche 332 pour le volume qui détermine l'endroit du second élément coupant 130a présente un axe longitudinal L parallèle à la ligne centrale 131 de l'endroit du premier élément coupant 30a à situer à l'endroit de la poche 232 et ainsi la face de dégagement 142 du second élément coupant 130a fait un angle de 90 avec la ligne centrale 131. L'outil de taillage utilisé pour usiner la poche 332 peut être orienté pour dégager aisément le
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bord 206 du moule de trépan 200 et obtenir l'angle de taillage souhaité, le long de la ligne M1.
Cependant, lorsqu'il est souhaité tailler une poche 332 pour un volume à l'endroit du second élément coupant 130c haut sur l'épaulement d'une lame 20, il est évident que l'on ne sait pas tailler selon un angle de taillage souhaitable pris le long de la ligne M2 , comme l'outil de taillage serait en interférence avec le côté opposé (non représenté) du moule de trépan 200. Comme variante et pour procurer un angle acceptable pour la face de dégagement 142 du second élément coupant 130c, l'angle de taillage est réglé par exemple à environ 10 pour être situé le long de la ligne M3 , de façon à dégager le moule 200. Ceci procure un angle d'approximativement 80 entre la face de dégagement 142 du second élément coupant 130c et la ligne centrale 131 de son premier élément coupant 130c associé.
Cette "inclinaison latérale" minimale du second élément coupant 130c, telle qu'une inclinaison ou pente de ce genre est définie à des fins de clarté dans la description de la présente invention, permet encore que la table très abrasive 134 du second élément coupant 130c serve de surface d'appui radiale et coupe tangentiellement comme cela est nécessaire. Bien qu'illustré par rapport au positionnement des seconds éléments coupants 130 dans la configuration d'ensemble de coupe du trépan 10, cet aspect de l'invention présente une même utilité en ce qui concerne le positionnement et l'orientation des seconds éléments coupants 130 dans la configuration d'ensemble de coupe du trépan 110.
Le terme "très abrasif' tel qu'utilisé ici n'est pas limité à des structures en comprimé de diamant polycristallin (PDC) utilisées dans la forme de réalisation préférée. De préférence, le terme comprend, sans limitation, des PDC thermiquement stables (également appelés "produits thermiquement stables" ou "TSP" = Thermally Stable Products) et du nitrure de bore cubique. De plus, tel qu'utilisé ici, le terme de "table très abrasive" signifie une masse ou volume de particules très abrasives liées réciproquement, distinguées de particules très abrasives distribuées dans une matrice porteuse d'une autre matière comme du carbure de tungstène.
Bien que la présente invention a été décrite dans le contexte d'un trépan tournant à couteaux fixes, elle n'est pas limitée à cela. La présente invention peut être utilisée avec n'importe quel outil de forage, comprenant, à titre d'exemple et sans limitation, des outils qui alèsent tout en forant, des trépans excentrés et à deux axes, n'importe quel autre appareil d'alésage et des outils de carottage.
Bien que la présente invention a été décrite et représentée dans le contexte d'une forme de réalisation couramment préférée, ceux qui sont normalement expérimentés dans le métier reconnaîtront et apprécieront qu'elle n'est pas limitée à
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cela. De préférence, des additions, des suppressions et modifications à la forme de réalisation telle que décrite ici peuvent être réalisées sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l'invention telle que déterminée dans les revendications annexées.