FR2735522A1 - Taillant d'outil de forage monobloc - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un taillant d'outil monobloc pour le forage d'une formation rocheuse, du type comprenant un support (30) en carbure métallique cémenté, fixé sur l'outil et auquel est liée, par exemple par brasage, une plaquette (34) en forme de disque cylindrique formée à base de particules de diamant polycristallin et comprenant une paroi latérale (40) et une face libre sensiblement plate (36), la plaquette (34) est orientée de manière que le plan de sa face plate libre (36) fasse avec la normale N à la surface (25) de la formation rocheuse un angle aigu ( alpha), orienté dans le même sens que le sens de déplacement (F) du taillant, de sorte que la plaquette attaque la formation rocheuse par sa paroi latérale (40).
Description
Taillant d'outil de forage monobloc.
La présente invention concerne des éléments de coupe ou taillants destinés à être fixés sur les outils de forage monoblocs utilisés dans le forage de formations rocheuses, par exemple dans les puits pétroliers, ou dans le forage du ciment.
Un taillant classique 10, tel qu'illustré dans la figure 1 ci-jointe comprend généralement un support 12 en forme de plot cylindrique réalisé en carbure métallique cémenté, par exemple en carbure de tungstène, et pourvu à une de ses extrémités d'une surface plane inclinée 14 sur laquelle est fixée, par exemple par brasage, une couche en forme de plaquette 16 formée à partir d'un mélange de fines particules de diamant polycristallin ou PDC, de poudre de cobalt et de carbure de tungstène. Ledit mélange est soumis à une pression et à une température très élevées, ce qui provoque son frittage et sa liaison avec le support. Les taillants ainsi fabriqués sont ensuite fixés sur la tête de l'outil 18 de forage, par exemple par sertissage dans des trous borgnes 20 pré-percés sur la tête.
Un taillant de ce type est décrit par exemple dans les brevets US 4 073 354, 4 098 353 et 4 156 329. En fonctionnement, le taillant 10 est positionné par rapport à la formation rocheuse 22, comme représenté sur la figure 1 la face plate libre 24 de la plaquette 16 fait avec la normale N à la surface 25 de la formation rocheuse un angle aigu a, , orienté dans le sens contraire au sens de déplacement F du taillant, de sorte que la plaquette 16 attaque la formation par sa face plate 24.
Ce taillant a un mode de fonctionnement par compression de la face diamantée, c'est-à-dire que, comme le montre la figure 1, la roche exerce une pression sur la face plate diamantée 24. I1 se forme un copeau de roche 26 qui se brise devant ladite face. Si la roche est fragile, il se produit une rupture de copeau par broyage avec accumulation de petits débris devant la face de la plaquette. L'empreinte du taillant sur la roche aura une forme complémentaire de la partie inférieure du taillant. Par exemple, dans le cas d'un taillant cylindrique, l'empreinte sera en forme de secteur de cylindre. Le taillant doit donc être suffisamment résistant pour attaquer la roche frontalement sur toute l'étendue de ladite zone en forme de secteur de cylindre.On conçoit que la coupe pourra être faite avec une bonne efficacité dans le cas de formations rocheuses tendres à midures, mais beaucoup moins efficacement dans le cas de formations dures, en raison de la force considérable qui serait nécessaire pour casser la roche simultanément sur toute l'étendue de ladite zone.
De plus, ladite force entraîne généralement des phénomènes vibratoires néfastes pour la durée de vie de l'outil.
La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients et à cet effet elle concerne un taillant d'outil monobloc pour le forage d'une formation rocheuse, du type comprenant un support en carbure métallique cémenté, fixé sur l'outil et auquel est liée, par exemple par brasage, une plaquette en forme de disque cylindrique formée à base de particules de diamant polycristallin et pourvue d'une paroi latérale et d'une face libre sensiblement plate, ledit taillant étant caractérisé en ce que la plaquette est positionnée de manière que le plan de sa face plate fasse avec la normale à la surface de la formation rocheuse un angle aigu, orienté dans le même sens que le sens de déplacement de l'outil, de sorte que la plaquette attaque la formation rocheuse par sa paroi latérale.
Cette position de la plaquette, qui est sensiblement à 900 par rapport à celle qu'elle a dans le taillant classique de la figure 1, est tout à fait surprenante, car elle fait travailler la face plate de la plaquette en cisaillement.
Ceci est révolutionnaire et va à l'encontre des idées habituellement acceptées dans le métier selon lesquelles une plaquette doit toujours subir une compression, comme dans le cas de la figure 1, car si elle subit un cisaillement, elle risque d'être détruite prématurément. Toutefois, les récents progrès réalisés dans le domaine des plaquettes en PDC (réduction des contraintes résiduelles, amélioration de la résistance aux chocs, meilleure résistance à la température et meilleure maîtrise de la qualité) permet à présent de faire travailler les plaquettes de manière qu'elles subissent un cisaillement, sans que cela entame leur durée de vie.
Cette position entraîne en outre toute une série d'avantages importants
- elle permet d'utiliser des angles d'attaque plus agressifs et donc plus performants, en inclinant la plaquette "presque à plat" sur la surface de la formation ;
- la plaquette travaille non plus avec sa face libre en contact avec le copeau, mais avec sa paroi latérale cylindrique (tout le long de son épaisseur) au contact avec la formation.Le copeau qui se forme n'est donc plus en contact avec la face plane mais avec la paroi cylindrique de la plaquette. I1 en résulte que la plaquette réalise la rupture de la roche non seulement par cisaillement mais également par poinçonnement
- la distribution des forces se fait radialement sur la paroi cylindrique de la plaquette, ce qui a pour effet de réduire le phénomène vibratoire de l'outil
- l'épaisseur de la couche diamantée qui subit les efforts de coupe n'est plus de quelques dixièmes de millimètre, comme c'est le cas de la plaquette de la figure 1, mais de plusieurs millimètres. La durée de vie de la plaquette est donc notablement augmentée.
- elle permet d'utiliser des angles d'attaque plus agressifs et donc plus performants, en inclinant la plaquette "presque à plat" sur la surface de la formation ;
- la plaquette travaille non plus avec sa face libre en contact avec le copeau, mais avec sa paroi latérale cylindrique (tout le long de son épaisseur) au contact avec la formation.Le copeau qui se forme n'est donc plus en contact avec la face plane mais avec la paroi cylindrique de la plaquette. I1 en résulte que la plaquette réalise la rupture de la roche non seulement par cisaillement mais également par poinçonnement
- la distribution des forces se fait radialement sur la paroi cylindrique de la plaquette, ce qui a pour effet de réduire le phénomène vibratoire de l'outil
- l'épaisseur de la couche diamantée qui subit les efforts de coupe n'est plus de quelques dixièmes de millimètre, comme c'est le cas de la plaquette de la figure 1, mais de plusieurs millimètres. La durée de vie de la plaquette est donc notablement augmentée.
L'invention sera décrite à présent en détail en regard des dessins annexés dans lesquels
la figure 1 est une vue en coupe d'un taillant selon la technique antérieure, serti dans un outil de forage monobloc qui n'est représenté que partiellement ;
la figure 2 est une vue en coupe d'un taillant selon l'invention ;
la figure 3 est une vue en coupe d'un taillant selon un second mode de réalisation de l'invention ;
la figure 4 est une vue en coupe d'un taillant selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; et
la figure 5 est une vue en coupe d'un taillant selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
la figure 1 est une vue en coupe d'un taillant selon la technique antérieure, serti dans un outil de forage monobloc qui n'est représenté que partiellement ;
la figure 2 est une vue en coupe d'un taillant selon l'invention ;
la figure 3 est une vue en coupe d'un taillant selon un second mode de réalisation de l'invention ;
la figure 4 est une vue en coupe d'un taillant selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; et
la figure 5 est une vue en coupe d'un taillant selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
Le taillant 28 de l'invention illustré par la figure 2 comprend un support cylindrique 30 en carbure de tungstène cémenté, fixé dans un trou borgne 20 percé dans l'outil monobloc 18. I1 présente une face plate inclinée 32 sur laquelle est fixée, par brasage ou autre, une plaquette 34 en PDC en forme de disque cylindrique.
Selon une caractéristique importante de l'invention, la face libre 36 de la plaquette fait avec la normale N à la surface 25 de la formation rocheuse un angle aigu a orienté dans le même sens que le sens de déplacement F du taillant.
Comme on l'a souligné précédemment, cette position est inhabituelle dans le domaine des outils de forage monoblocs où l'angle a que fait la face libre de la plaquette avec la normale N est orienté dans le sens contraire au sens de déplacement de l'outil.
La position de la plaquette selon la figure 2 est pratiquement à 900 par rapport à celle de la figure 1 et permet de travailler avec des inclinaisons ,8 de la face 36 "presque à plat" par rapport à la surface 25 de la formation 38. La roche peut ainsi être attaquée sous des angles plus agressifs que dans le cas des taillants de la technique antérieure. Avantageusement, l'inclinaison ,8 peut varier entre 0 et 250.
Comme on le voit sur la figure 2, la plaquette travaille avec sa paroi latérale cylindrique 40 sur toute son épaisseur. Elle opère donc un poinçonnement de la roche à son point le plus bas P en même temps qu'un cisaillement.
Dans le taillant que l'on vient de décrire, la plaquette 34 a une épaisseur uniforme et pour des raisons d'économie, son épaisseur est relativement faible, de l'ordre de 0,5 à 1 mm. L'épaisseur de coupe h sera donc également faible. Le taillant selon ce mode de réalisation servira donc essentiellement à travailler les terrains mi-durs à durs.
Selon l'invention, on peut obtenir des profondeurs de coupe nettement plus importantes avec une même quantité de
PDC et donc une même dépense, en utilisant le taillant selon la figure 3. Sur la surface inclinée du support 30 de ce taillant sont formées une série de rainures rectilignes parallèles 44 qui s'étendent dans la partie centrale de ladite surface. Ces rainures définissent entre elles des nervures 46 et elles aboutissent à une rainure périphérique 48 disposée à la périphérie de ladite surface. La rainure 48 peut être plus profonde que les rainures centrales 44. Sur la surface du support on fait adhérer une mince couche diamantée 50 qui remplit toutes les rainures 44, 48 et qui dépasse légèrement le sommet des nervures.
PDC et donc une même dépense, en utilisant le taillant selon la figure 3. Sur la surface inclinée du support 30 de ce taillant sont formées une série de rainures rectilignes parallèles 44 qui s'étendent dans la partie centrale de ladite surface. Ces rainures définissent entre elles des nervures 46 et elles aboutissent à une rainure périphérique 48 disposée à la périphérie de ladite surface. La rainure 48 peut être plus profonde que les rainures centrales 44. Sur la surface du support on fait adhérer une mince couche diamantée 50 qui remplit toutes les rainures 44, 48 et qui dépasse légèrement le sommet des nervures.
Ainsi, le maximum de quantité de PDC est concentré dans la portion périphérique du taillant. On pourra donner à la rainure périphérique une profondeur beaucoup plus grande que l'épaisseur des plaquettes standards. Les outils sertis avec de tels taillants pourront forer une plus grande gamme de duretés de terrain. De plus, ces taillants auront une plus grande durée de vie que ceux de la figure 1.
I1 va de soi que les nervures et les rainures rectilignes peuvent être remplacées par tout relief en saillie et en creux.
Dans la variante de réalisation de la figure 4, il n'y a plus de fine couche diamantée sur l'ensemble de la face du taillant, mais seulement un anneau 52 en PDC disposé dans une rainure périphérique 54 formée sur la surface inclinée du support. La face libre de l'anneau vient à l'affleurement de l'âme centrale 56 en carbure de tungstène.
L'anneau 52 peut être encore plus épais et plus haut que dans le mode de réalisation de la figure 3. L'outil muni de tels taillants pourra donc forer des formations allant des plus tendres aux plus dures.
Un autre avantage de ce taillant réside dans le fait que l'âme 56 en carbure de tungstène peut être percée d'un trou 58 pour y placer une vis au moyen de laquelle le taillant peut être fixé sur le corps de l'outil.
Dans la variante de réalisation de la figure 5, le taillant est tronconique et présente comme dans le mode de réalisation de la figure 4 un anneau 60 en PDC à la périphérie de sa grande base. La paroi latérale de l'anneau est confondue avec la paroi tronconique du taillant. Lorsque ce taillant est positionné conformément à l'invention, c'est-à-dire avec sa grande base presque à plat" par rapport à la surface de formation, on peut obtenir une coupe de la roche avec un angle d'attaque d positif, On rappelle que l'angle d'attaque est l'angle que fait la paroi latérale tronconique 62 de l'anneau avec la normale à la surface de la formation rocheuse. I1 est bien connu dans la mécanique classique que ce type de taillant peut donner d'excellents résultats lorsque les matières à couper deviennent plastiques. De plus, ce taillant permet une grande vitesse de pénétration de l'outil. Ici aussi, le taillant peut être fixé sur le corps de l'outil monobloc au moyen d'une vis.
Claims (7)
1. Taillant d'outil monobloc pour le forage d'une formation rocheuse, du type comprenant un support (30) en carbure métallique cémenté, fixé sur l'outil et auquel est liée, par exemple par brasage, une plaquette (34) en forme de disque cylindrique formée à base de particules de diamant polycristallin et comprenant une paroi latérale (40) et une face libre sensiblement plate (36), caractérisé en ce que la plaquette (34) est orientée de manière que le plan de sa face plate libre (36) fasse avec la normale N à la surface (25) de la formation rocheuse un angle aigu (a), orienté dans le même sens que le sens de déplacement (F) du taillant, de sorte que la plaquette attaque la formation rocheuse par sa paroi latérale (40).
2. Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle (B) que fait le plan de la face plate libre (36) de la plaquette avec la surface (25) de la formation rocheuse est compris entre 0 et 250.
3. Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette (34) a une épaisseur constante sur toute la surface du support sur laquelle elle est fixée.
4. Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette est fixée sur une face inclinée du support sur laquelle sont formés des reliefs en creux (44) et en saillie (46), ladite face comportant également à sa périphérie une rainure (48) de profondeur supérieure à celle desdits reliefs en creux, la couche de diamant polycristallin qui constitue la plaquette emplissant lesdits reliefs en creux et recouvrant d'une mince couche les sommets des reliefs en saillie.
5. Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette est constituée par un simple anneau (52) en diamant polycristallin fixé dans une rainure périphérique (54) formée sur le bord d'une face inclinée du support (30), le restant de ladite face du support n'étant pas recouvert de diamant polycristallin.
6. Taillant selon la revendication 4, caractérisé en ce que le support (30) est percé d'un trou (58) dans la région non recouverte de diamant polycristallin, pour la passage d'une vis destinée à fixer le taillant sur le corps de l'outil monobloc.
7. Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support a une forme tronconique et en ce que la plaquette est constituée par un simple anneau (60) en diamant polycristallin fixé dans une rainure périphérique formée sur le bord de la grande base du support, la paroi latérale de l'anneau étant dans le prolongement de la paroi tronconique du support et en ce que l'angle d'attaque (2f) que fait la paroi tronconique de l'anneau avec la normale N à la surface (37) de la formation rocheuse est positif.
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