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CA1094048A - Outil de forage a jet d'aspiration - Google Patents

Outil de forage a jet d'aspiration

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Publication number
CA1094048A
CA1094048A CA295,851A CA295851A CA1094048A CA 1094048 A CA1094048 A CA 1094048A CA 295851 A CA295851 A CA 295851A CA 1094048 A CA1094048 A CA 1094048A
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CA
Canada
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tool
fluid
rotating members
irrigation
orifice
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Expired
Application number
CA295,851A
Other languages
English (en)
Inventor
Henri Cholet
Yvon Castel
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Filing date
Publication date
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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Abstract

DE LA REVENDICATION: Outil pour le forage de terrains, comportant un corps d'outil destiné a être entraîné en rotation par un porte-outil. Une cavité est ménagée dans ce corps pour recevoir à travers le porte-outil un fluide sous pression. Ce corps porte un groupe d'organes tournants munis d'éléments d'attaque des terrains sur un front de taille. L'outil possède aussi des moyens d'irrigation adaptés à délivrer un jet fluide d'irrigation dirigé vers le front de taille, ces moyens comportant un premier orifice calibré ménagé dans le corps de l'outil, communiquant directement avec ladite cavité et débouchant clans un premier espace compris entre deux organes tournants adjacents. L'outil a également des moyens d'aspiration du fluide ayant irriqué les organes tournants adaptés a délivrer un jet ascendant de fluide d'aspiration, ces moyens d'aspiration comportant un second orifice ménagé dans le corps d'outil et situé au-dessus d'un second espace compris entre deux organes tournants adjacents. L'invention se caractérise en ce que ledit premier orifice calibré a une orientation sensiblement paralléle à l'axe de l'outil et débouche à une distance du front de taille comprise entre 1/3 H et 4/5 H, H étant la hauteur des éléments mesurée parallèlement à l'axe de l'outil.

Description

0~8 La prtsente invrntion concerne un outil de forage. Plus particuliè-remr-nt, mais sans que cela 50it limitatif, la présen-te inventior, se rapporte à un outil ou trtpan de forage pouvant être fixé à l'ex-trémité inférieure d'une colonne de forage. L'outil selon l'invention est d'un type comportant plusieurs organes tournants munis d'éléments taillants, ces DrganeS pouvant être des mulettes coniques tournant autour de roulements dont les axes sont inclinés par rapport à l'axe central de l'outil.

Par le passé, les performances de tels outils utilisés pour le forage des terrains ont été amél:iorées par l'action sirr,ultanée de jets de fluicle deforage qui frappt3nt le fond du trou, ou front de taille, dans chacun des espaces libres entre les organes dtattaques des -terrains. Au niveau de l'outil, ce fluide de forage doi-t avoir comme fonction; essen-tirl]es de refroidir l'outil,de nettoyer cet outil ainsi qur lr front de taille, et d'évacuer rapidemrnt les dëblais (cuttings) vers l'espace annulaire compris entrE la colonne de forage et la paroi t!u trou foré.

Dans un premirr typr d'outi~s st-~lon l'art antérieur, les jets de fluide débouchtnt à un endroit situé notablemerlt au-drssus ùu niveau des rno-lettes. Il en rcsulte qu'avant d'atteindre le front de taille, les jets tra-versent le fluide de forage charyé en deblais qui rr-~mplit le fond du trou foré.
De ce fait, la vitsssr d'écoulement des jets au niveau du frorlt de taille rst cDnsidtrablement ralentie, ce qui réduit leur tfficacité De plus, les jets entraîr~ent 'unr partie du fluide de forage chargé en déblais vers le front detaille où les déblais sont rebroyés par l'outil dont le rendement est ainsi diminué. Par ailleurs, les jets ds fluide créent sur le front de taille une surpression qui comprime ies terrains et l'on constate que la zone de con-tact entre l'outil et le front de taille où sont produits les déblais n'est pas Suffisamment irriguée par le fluide de forage.

Diverses modifications ont été proposées, en particulier les outils ~du type indiqué ci-dessus on-t été modifiés pour que les jets de fluide de ;30 forage débouchent aussi près que possible du front de taille et, parfois mêrne, un jet axial a été ajouté. Néanmoins, ces perfectionnernents n'ont paS donné
entièrement satisfaction : le rebroyage des déblais n'a pas pu être supprimé, pas plus que la surpression au niveau du front de taille.

Dans un second type d'outil selon l'art antérieur on a proposé
d'utiliser, en combinaison avec les moyens d'irrigation constitués par des jets de fluide, des moyens d'aspiration du fluide chargé en déblais, ces 4(~4~ .

moyens comportant un jet dirigé en sens opposé à celui de la progression de l'o~til.

Ainsi, l'outil décrit dans le brevet U5 3 111 179 comporte des jets d'irrigation placés entre les molettes de l'outil, et des jets d'aspiration alimentés par des canaux prévus dans les bras de l'outil qui portent les mo-lettes. Outre le fait que les jets d'irrigation débouchent trop loin du front de taille et présentel-lt les inconvénients déjà indiqués précédemment, la posi-tion des jets d'aspiration est telle que le fluide éjecté frappe la paroi du puits, d'où des rlsques de destruction de cette paroi ce qui, bien entendu, neutralise dans una large mesure l'action o'aspiration du jet. De plus, l'espa-cement des orifices des jets d'aspiration et des orifices d'irrigation, mesuré
dans la direction de l'axe de l'outil, est faible et cela diminue forternent l'action des jets d'irrigation.

Le brevet US Z 776 115 décrit un outil tricône mettant en oeuvre un seul jet d'irrigation et dsux jets d'aspiration. Le jet d'irrigation est inclinevers le centre du front de taille, c'est-à-dire dans la zone où concourent les axes drs molrttes ainsi que les espaces libres rntre ces rnolrjttes. Il en résulte que la plus grande partie du fluide d'irrigation passe d'un espace libre à
l'autre sans irriguer la zone de contact du front de taille avec les drnts des moiettes.

Par suite, les performances des outils décrits dans ces deux brevets amér;cains ne sont pas notablement supérieures à celles des outils du premier type, ce qui explique qu'ils n'aient pas connu de développement industriel.

Le brevet français 2 277 965, au nom de la demanderesse, décrit un outil du second type ayant de bonnes performances mais mettant en oeuvre une jupe ou carter qui isole l'espace surmontant le front de taille, de l'espace annulaire délimité entre la paroi du puits et la colonne de forage. Une telle réalisation convient parfaitement dans certains cas d'utilisation tels que par exemple forage de puits de très grand diamètre, forage à l'air, etc..., mais peut présenter des difficultés de réalisation industrielle avec par ailleurs des inconvénients du fait que sur une longueur assez grande l'outil a un dia-mètre extérieur peu différent du diamètre du puits, d'où des risques de coin-cement dans certains terrains, notamment dans les formations tendres.

La présente invention propose un outil qui par sa conception ne pré-sente pas les incDnvénients indiqués précédemmen', tout en ayant des performan-crs d'utilisation considérablemrant accrues par rapport aux outils antérieurs.

1~4(~4~

Ce~ resultats so~t obtenus, selon l'invention, avec un outil pour le forage de terrains, comportant: !
- un corps d'outil destine à être entraîne en rotation autour d'un axe par un porte outil, une cavité étant ménagee dans ce corps pour recevoir à travers le porte-outil un fluide sous pression, - une pluralité d'organes tournants portés par le corps de l'outil et munis d'éléments d'attaque des terrains sur un front de taille, - des moyens d'irrigation pour délivrer au moins un jet fluide d'irrigation dirigé vers le front de taille, ces moyens d'irrigation comportant au moins une buse ayant un premier ori-fice calibré ménagé dans le corps de l'outil et communiquant directement avec ladite cavité, ce premier orifice débouchant dans un premier espace compris entre deux organes tournants adjacents, - des moyens d'aspirati.on du fluide ayant irrigué les organes tournants, ces moyens d'aspiration étant adaptés à
délivrer au moins un jet ascendant de fluide d'aspiration, ces moyens d'aspiration comportant au moins un second orifice ménagé dans le corps d'outil et situé au-dessus d'un second espace compris entre deux organes tournants adjacents, caractérisé en ce que ladite buse est disposée de fa~on à ce que`ledit premier orifice calibré délivre un jet d'i.rrigation ayant une orientation sensiblement parallèle à l'axe de l'outil et le premier orifice calibré débouche à une distance du front de taille comprise entre 1/3 H et 4/5 H, H étant la hau-teur des el~ments tournants mesurée parallèlement a l'axe de l'ou-til.
L'invention pourra être bien comprise et tous ses avantages apparaitront clairement à la lecture de la description qui suit, de réalisations pr~férentielles, illustrée par les -~æ

figures annexees dans lesquellcs:
- la figure 1 represente une vue de dessous de l'ou-til selon l'invention, - les figures 2 et 3 représentent une vue en coupe de l'outil respectivement selon les lignes X'X et Y'Y de la figure 1, - la figure 4 représente schématiquement une variante de réalisation des moyens d'aspiration, - la figure 5 illustre schématiquement une variante de réalisation d'une buse d'irrigation, - la figure 6 montre en section droite un exemple d'organe stabilisateur pouvant être placé au-dessus de l'outil, et - la figure 7 illustre en coupe longitudinale un mode de réalisation de _ 10~4048 l'organe stahilisateur, dans lequel un venturi est ménagé dans l'une des ailrs de cet Drgane.

L'outil représenté sur les figures est composé d'un corps 1 muni de trois bras 2, 3 et 4 dont deux seulement sont représentés aux figures 2 et 3.
Ces bras portent des organes d'attaque des terrains constitués, par exemple, par des rouleaux ou molettes coniques 5, 6 et 7 tournant sur des roulemen-ts non représentés et dont les axes sont inclinés par rapport à l'axe vertical dE
l'outil. Chacun de ces organes tournants peut être de tout type connu et compor- -ter des dents, comme représen-té sur la figure 1, ou d'autres ~léments taillantscapables d'attaquer les terrains au niveau du front dE taille.

La partie suprrieurr-~ 3 du corps 1 (Fig. 2 et 3) est filetée pour assurer le raccor.lemsnt de l~outil à un élément porte-outil qui l'entraîne en rotation.

Ce porte-outil, désignr par la référence 9, peut être constituÉ par la colonne de forage dar~o le cas du forage rotary. Lorsque l'outil est direc-temerrt entrainé en rotation par un mntEur de fond, le porte-outil sera constitué
par le rotor de ce moteur.

Dans 1B corps 1 de l~outil est merlagre une cavi-té 1a qui communique directement avec la ranalisation intérieure de la colonne de forase.

Le corps de l'outil est pourvu d'orifices calibrés 10, 11 et 12 qui communiquent avec la cavité 1a. Les deux premiers orifices sont placés de telle sorte que, pendant le fonctionnement de l'outil, le fluide qui alimente la cavite 1a s'échappe par ces orifices 10 et 11 en formant dans deux des espaces libres compris entre les organes tournants 5, 6, 7 deux jets d'irrigation du front de taille sensiblement parallèles à l~axe de l'outil et dirigés de haut en bas, c'e5t-à-dire dans le sens d'avancement dE l'outil.

Le troisième orifice calibré 12 est placé de telle sorte que, pen-dant le fonctionnement de l!outil le fluide s'échappe au-dessus du troisième espace libre compris entre les organes tournants 5, 6, 7~ en formant un jr-t ascendant ayant un effet d'aspiration. Ce jet ascendant provoque une dépression dans l'espace annulaire compris entre le raccord supérieur de l'outil et le trou foré.

~asd~04s En outre, les orifices calibrés d'irrigation 10 et 11 sont à une distance ~ du front oe tail.le telle que, si on désigne par H la dimension des organes tournants 5, 6 ou 7 mesurée parallèlement à l'axe de rotation de l'outil, on ait :

1 H ~ ~ ~ 4 H

D'excellents résultats ont été, en particulier, obtenus avec 0,4 H ~ ~ ~ û,5 H

L'orifice d'aspiration 12 est di.sposé à une distance L du front de taille supérieure à la valeur H définie ci-dessus.

lD Cette distance L sera avantageusement au moins égale à 1,4 H.
On dispose ainsi d'une difference de pressicn r~ntre le front de taille et la zone où est situé la jet d'aspiration. Cette clifférerlce de prLssion accé-l~re notablement ]a remontrie cle la boue chargée de dé~lais C'~Ui S ~ écoule très rapi.dement du ~ront de taille vers cet~e zone.

Les déblais sor1t ainsi évacués du f-ont de taille aussitôt qu'ils sont formés et dans ces conditions l'cutil de forage reste propre en permanence, ce qui permet des vitesses de forage accrues et accroît la longévité de~ orcJanes de l'outil (dentures, paliers, etc...).

Il peut être avantageux, ainsi que le montrrnt les figures 2 et 3, que l'alimentation en fluide des orifices calibrés 10, 11, 12 à partir de la ; cavité 1a se fasse par des conduits con~cus de manière à rédui.re le plus pos-sible les pertes de charges du fluide, notamment par raccordement tangentiel à la paroi de la cavité 1a.

Dans l'exemple de réalisation illustré aux figures 1 et 3 1ES ori-fices calibrés 10 à 12 sont constitués par les orifices circulaires des buses 10a, 11a et 12a r.espectivement, d'axes sensiblement parallèles à l'axe de l'o-itil.
.

La figure a rnontre, en vue de dessus, une variante de réalisation des moyens d'aspiration qui sont alors constitués par au moins un groupe de buses adjacentes 12a1, 1Za2, 12a3, ou plus généralement par des moyens d'aspi-ration répartis sur un large intervalle angulaire, les buses adjacentes d'un groupe pouvant être éventuellement remplacées par une buse de section droite allongée couvrant à elle seule un large secteur angulaire. Trois buses sont représentées mais cs nombre n'est nullement limitatif.

Dien entendu, 1.es buses sont fixées de facon interchangeable et elles seront choisies par l'utilisateur en fonction du débit et de la pression du fluide d'irrigation.

Des modificati.ons pourront être apportées sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, comme le montre la figure 5, les buses d'irrigation telles que 1Oa pourront être portées par un prolongateur 13 fixé au corps de l'outil par tout moyen connu tel qu'un filetage 14, ce prolongateur étant interchangeable pour permettre d'ajuster la distance ~ dans les limites de l'intervalle ci-dessus définie à la valeur désirée par l'utili-sateur, en fonction de la nature des formations géologiques 3 forer.

Il est également possible de placer au-dessus du jet d'aspiration un organe adapté à accélérer la remontée du fluide de forage chargé en déhlais dans l'espace annulaire délimité par la colonne de forage et la paroi du puits.

Cet organe accélérant la remontée du fluide de forage pourra compor-ter un tube venturi constituant ainsi avec le jet de fluide d'aspiration un hydro-éjecteur.

Dans un mode de réalisation 'el que celui représenté sur la figure 6 l'outil de forage est immédiatement surmonté d'un organe stabilisateur 16 com-portant plusieurs iames définissant entre elles des espaces 15 en communication directe avec l'espace annulaire compris entre la paroi du puits et la colonne de forage. Dans un tel cas il peut etre avantageux de ménager un tube venturi 1~ dans l'une des larnes 21 du stabilisateur 16, comme illustré par la figure 7,l'organe 16 étant alors fixé~ par tout moyen approprié tel que des vis 17, dans une position telle que le tube venturi 19 ait sensiblement même axe que le jet de fluide d'aspiration 7. Dans ce cas, le tube venturi 15 communique avanta-geusement avec l'espace annulaire défini ci-dessus par deux conduits débouchant respectivement sur les deux parois radiales de la lame 21 par des orifices 20 inclinés par rapport à l'axe de l'outil pour emp~echer la retombée des déblais ~0~4048 par gravite dans le tube venturi lorsque la circul.atinn du fluid~ de forage est interrompue.

L'inclinaisun des bords des orifices 20 sur l'axe du tube venturi 18 sera avantageusement inférieure à 45.

Claims (12)

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:
1. Outil de forage, comportant: un corps d'outil destiné à être entraîné en rotation autour d'un axe par un porte-outil, une cavité étant ménagée dans ce corps pour recevoir à
travers le porte-outil un fluide sous pression; une pluralité
d'organes tournants portés par le corps de l'outil et munis d'éléments d'attaque de terrains sur un front de taille; des moyens d'irrigation pour délivrer au moins un jet fluide d'irri-gation dirigé vers le front de taille, ces moyens d'irrigation comportant au moins une buse ayant un premier orifice calibré
ménagé dans le corps de l'outil et communiquant directement avec ladite cavité, ce premier orifice débouchant dans un premier espace compris entre deux organes tournants adjacents; des moyens d'aspiration du fluide ayant irrigué les organes tour-nants, ces moyens d'aspiration étant adaptes à délivrer au moins un jet ascendant de fluide d'aspiration, ces moyens d'as-piration comportant au moins un second orifice ménagé dans le corps d'outil et situé au-dessus d'un second espace compris entre deux organes tournants adjacents; et dans lequel, ladite buse est disposée de façon a ce que ledit premier orifice calibré
délivre un jet d'irrigation ayant une orientation sensiblement parallèle à l'axe de l'outil et dans dequel ledit premier ori-fice calibré débouche à une distance du front de taille comprise entre 1/3 H et 4/5 H, H étant la hauteur des organes tournants mesurée parallèlement à l'axe de l'outil.
2. Outil de forage selon la revendication 1, carac-térisé en ce que ledit premier orifice calibre débouche à une distance du front de taille comprise entre 0,4H et 0,5H.
3. Outil de forage selon la revendication 1, carac-térisé en ce que ledit second orifice débouche à une distance du front de taille au moins égale à 1,4 H.
4. Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits premier et second orifices communique avec ladite cavité par un conduit se raccordant à
cette cavité.
5. Outil selon les revendications 1, 2 ou 3, caracté-risé en ce que lesdits moyens d'aspiration comportent au moins un groupe de plusieurs orifices calibrés sensiblement alignés et adjacents.
6. Outil selon les revendications 1, 2 ou 3, caracté-risé en ce que lesdits moyens d'aspiration comportent au moins un orifice de section droite allongée.
7. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'accélération de la remontée des déblais au-dessus desdits moyens d'aspiration.
8. Outil selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d'accélération de la remontée des déblais comportent un tube venturi.
9. Outil selon la revendication 8, fixé a l'extrémité
inférieure d'une colonne de forage et surmonté d'un organe stabilisateur comportant une pluralité d'ailes, caractérisé en ce que ledit tube venturi est ménagé dans l'une des ailes du stabilisateur et en ce qu'il comporte des moyens permettant de placer ledit tube venturi immédiatement au-dessus du second orifice.
10. Outil de forage, comportant: un corps d'outil destiné à être entraîné en rotation autour d'un axe par un porte-outil, une cavité étant ménagée dans ce corps pour rece-voir a travers le porte-outil un fluide sous pression; une pluralité d'organes tournants portés par le corps de l'outil et munis d'éléments d'attaque de terrains sur un front de taille; des moyens d'irrigation pour délivrer au moins un jet fluide d'irrigation dirigé vers le front de taille, ces moyens d'irrigation comportant au moins une buse ayant un premier orifice calibré ménagé dans le corps de l'outil et communiquant directement avec ladite cavité, ce premier orifice débouchant dans un premier espace compris entre deux organes tournants adjacents; des moyens d'aspiration du fluide ayant irrigué les organes tournants, ces moyens d'aspiration étant adaptes à
délivrer au moins un jet ascendant de fluide d'aspiration, ces moyens d'aspiration comportant au moins un second orifice ménagé
dans le corps d'outil et situé au-dessus d'un second espace com-pris entre deux organes tournants adjacents; cette buse étant disposée de façon à ce que ledit premier orifice calibré délivre un jet d'irrigation ayant une orientation sensiblement parallèle à l'axe de l'outil et ledit premier orifice calibré débouchant à
une distance du front de taille comprise entre 1/3 H et 4/5 H, H étant la hauteur des organes tournants mesurée parallèlement à
l'axe de l'outil; ledit outil comportant, en outre, des moyens permettant d'accélérer la remontée des déblais au-dessus desdits moyens d'aspiration, ces moyens d'accélération incluant un tube venturi; dans lequel ledit outil est fixé a l'extrémité infé-rieure d'une colonne de forage associée a un organe stabilisa-teur comportant une pluralité d'ailes; ledit organe stabilisa-teur étant situé au-dessus de l'outil et ledit tube venturi étant aménagé dans l'une des ailes de l'organe stabilisateur;
ledit outil comportant, de plus, des moyens permettant de placer ledit tube venturi immédiatement au-dessus du second orifice, et dans lequel le tube venturi s'ouvre à sa partie supérieure par deux orifices respectivement situés sur les parois radiales de ladite aile de l'organe stabilisateur.
11. Outil de forage comportant: un corps d'outil rotatif autour d'un axe au moyen d'un porte-outil, ce corps ayant une cavité destinée à recevoir à travers ce porte-outil un fluide sous pression; une pluralité d'organes tournants portés par le corps de l'outil et munis d'éléments d'attaque de terrains sur un front de taille, ce corps étant muni de moyens d'irriga-tion pour délivrer au moins un fluide d'irrigation dirige vers le front de taille, ces moyens d'irrigation communiquant avec ladite cavité et débouchant dans un premier espace compris entre deux organes tournants adjacents, ce corps ayant aussi des moyens d'aspiration du fluide ayant irrigué les organes tournants, ces moyens d'aspiration étant aptes à délivrer au moins un jet ascen-dant; dans lequel lesdits moyens d'irrigation délivrent ledit jet de fluide d'irrigation dans une direction sensiblement paralléle à l'axe de l'outil à partir d'un orifice débouchant à
une distance du front de taille comprise entre un 1/3 H et 4/5 H, H étant la hauteur des organes tournants mesurée paral-lèlement a l'axe de l'outil.
12. Outil de forage, comportant: un corps d'outil destiné à être entraîné en rotation autour d'un axe par un porte-outil, une cavité étant ménagée dans ce corps pour recevoir à
travers le porte-outil un fluide sous pression; une pluralité
d'organe tournants portés par le corps de l'outil et munis d'éléments d'attaque de terrains sur un front de taille; des moyens d'irrigation pour délivrer au moins un jet fluide d'irrigation dirigé vers le front de taille, ces moyens d'irriga-tion comportant au moins une buse ayant un premier orifice cali-bré ménage dans le corps de l'outil et communiquant directement avec ladite cavité, ce premier orifice débouchant dans un premier espace compris entre deux organes tournants adjacents; des moyens d'aspiration du fluide ayant irrigué les organes tour-nants, ces moyens d'aspiration étant adaptés a délivrer au moins un jet ascendant de fluide d'aspiration, ces moyens d'as-piration comportant au moins un second orifice ménagé dans le corps d'outil et situé au-dessus d'un second espace compris entre deux organes tournants adjacents; et dans lequel ladite buse est disposée de façon à ce que ledit premier orifice calibré
délivre un jet d'irrigation ayant une orientation sensiblement parallèle à l'axe de l'outil et dans lequel ledit premier orifice calibré débouche à une distance du front de taille comprise entre 0,4 H et 4/5 H, H étant la hauteur des organes tournants mesurée parallèlement à l'axe de l'outil.
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