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EP0944765B1 - Outil de forage et/ou de carottage - Google Patents

Outil de forage et/ou de carottage Download PDF

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Publication number
EP0944765B1
EP0944765B1 EP97949846A EP97949846A EP0944765B1 EP 0944765 B1 EP0944765 B1 EP 0944765B1 EP 97949846 A EP97949846 A EP 97949846A EP 97949846 A EP97949846 A EP 97949846A EP 0944765 B1 EP0944765 B1 EP 0944765B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cutting
elements
drill
blade
tool according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Revoked
Application number
EP97949846A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0944765A1 (fr
Inventor
Etienne Lamine
Sebastian Desmette
Cécile JOSSE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Halliburton Energy Services Inc
Original Assignee
Halliburton Energy Services Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=3890144&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0944765(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Halliburton Energy Services Inc filed Critical Halliburton Energy Services Inc
Publication of EP0944765A1 publication Critical patent/EP0944765A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0944765B1 publication Critical patent/EP0944765B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Revoked legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/62—Drill bits characterised by parts, e.g. cutting elements, which are detachable or adjustable
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/006—Drill bits providing a cutting edge which is self-renewable during drilling
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/48—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of core type
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/54—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of the rotary drag type, e.g. fork-type bits
    • E21B10/55—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts the bit being of the rotary drag type, e.g. fork-type bits with preformed cutting elements

Definitions

  • the present invention relates to a tool for drilling and / or coring, in particular for drilling and / or oil coring, such as the preamble to the claim 1, as also disclosed in GB-A-2 204 625 or FR-A-2 620 487.
  • the object of the present invention is to improve the drilling and / or coring conditions known to this update and offers a tool which, on the one hand, provides a particularly advantageous arrangement and economical blades and cutting elements for avoid unnecessary regrinding of debris detached from the training and which, on the other hand, provides for a reserve cutting elements which will only be practically service and solicited only when needed, for example following the removal of a cutting element, possibly in PDC, located on a leading edge.
  • the leading edge of the blades has the shape of a propeller with possibly variable radius and which, at least along said peripheral surface, turns either in opposite direction of the direction of drilling rotation either in the same direction as it moves away from the anterior face.
  • the width of a blade taken in a projection plane perpendicular to the axis of rotation, increases as we move away from it, on the anterior face, and / or thereof in direction of a rear face of the tool. he can be advantageous while the number of cutting elements arranged one behind the other on the same blade and on of the same aforementioned distances, radial and parallel to the axis of rotation, increases progressively, in particular an element preferably of a length equal to that of the aforementioned cutting elements, as the width of the blade increases.
  • Figure 1 shows schematically in a half plan view, as a tool, a head drilling of the invention.
  • Figure 2 shows schematically, in axial section, a superposition in the half-plane of section, after adequate rotation around the axis of rotation, projections of all cutting elements in PDC and secondary of the different blades of a tool drilling.
  • Figure 3 shows schematically in a half plan view, as a tool, a crown of coring of the invention.
  • FIG. 4 schematically represents, from the same way as that of FIG. 2 but simplified, projections of cutting elements in PDC circular and oblong secondary cutting elements of different blades.
  • Figure 5 shows schematically, in a partial plan view, another embodiment of a drill head as a tool of the invention.
  • Figure 6 shows schematically, at the as shown in Figure 4 but on another scale, a projection of the cutting elements in an axial half-plane various blades of a drilling head of the invention.
  • Tool 1 of the invention comprises so known, as shown in Figures 1, 2 and 3, a body 2 having a peripheral surface 3 substantially cylindrical and an anterior face 4 considering a direction of advance of drilling and / or coring. 5 extend from the anterior face 4 to the peripheral surface 3 and they each have a leading edge 6 for drilling or coring.
  • Sharp elements in PDC 7 are located at least in the area central 15A and are arranged so that their longitudinal axes are transverse to the axis of tool rotation 1.
  • Elements in PDC 7C can be distributed along the leading edge 6 of each blade 5; they each have a cutting edge 8 constituting together the leading edge 6.
  • secondary cutting element 10 By secondary cutting element 10, one can hear here a cutting element arranged outside the central zone 15A, of which the cutting edge 8 is part from the leading edge 6.
  • a secondary element 10 can be made by sintering and contain grains abrasives and a metallic binder.
  • Nozzles 9 ( Figures 1 and 2, not shown in Figure 3) are usually provided on the front side 4 in order to provide through them a adequate liquid at the bottom of the well during operation.
  • the tool 1 includes plus, behind at least one cutting element in PDC 7C ( Figure 5) or a secondary element 10 ( Figure 1) in considering a direction of rotation of drilling S of the tool 1, at least one cutting element 10A associated with the element 7C or 10, which has a cross section of the same shape, at least for its projecting part of the blade 5, that that of the latter and which is arranged on the same blade 5 as the element 7C or 10 with which it is associated.
  • a cutting edge 11 of the associated element 10A is at plus the same radial distance R ( Figure 2) from the axis of rotation and at least the same distance D, measured parallel to this axis of rotation from a plane P perpendicular to this axis and located in front of the tool 1, that the cutting edge 8 of the element in PDC 7C or secondary 10 associated.
  • the associated item (s) 10A can therefore be set back from the elements 7C or 10 ( Figure 6) regarding the training to drill or core.
  • Figures 1 and 5 show for example that beyond a determined diameter around the axis of rotation, one or more associated elements 10A are thus behind each element in PDC 7C or secondary 10 arranged on the leading edge 6 of the same blade 5.
  • the elements in PDC 7 and secondary 10 partners each time form a portion of ring centered on the axis of rotation.
  • the cutting elements in PDC 7 or 7C being usually mostly cylindrical, it can be preferred that secondary elements 10 and / or associated 10A are also and then advantageously present a diameter equal to that of the PDC 7C element corresponding.
  • the diameters of the elements in PDC 7, 7C, secondary 10 and / or associated 10A can be either all equal be different from each other, by example depending on their distance from the axis of rotation.
  • the closest cutting elements 10 of the axis of rotation are shown as having a same diameter and same orientation around this axis than the other cutting elements 10 located further from the axis of rotation.
  • these 10 most relatives are represented as having a greater length to that of the other elements 10 located further of the axis of rotation. They could however have the same length as these.
  • the crown 1 does not include cutting elements made of PDC 7.
  • PDC 7C, secondary 10, and associates 10A have been shown above as possibly be cylindrical ( Figures 2 and 6). At least some associated elements 10A could however present other cross sections, for example oblong, elliptical or oval ( Figure 4), the major axis of the oval or ellipse can then advantageously be substantially perpendicular to a plane tangent to an envelope 15B of the cutting elements 7, 10, 10A to the point of contact between the cutting edge 11 of the associated element 10A in question and this envelope 15B.
  • Associated oblong 10A elements of this kind increase what can be called the volume of matter abrasive per unit of active surface of tool 1, being given the reservation that this accumulates deep into tool 1 and which can be used. It appears however that circular 10A associated elements increase already considerably this volume compared to the case so-called impregnated tools.
  • tool 1 of the invention it is preferred as cutting elements in PDC 7C ( Figure 5) or secondary 10 ( Figures 1 and 3) and the elements associated 10A neighbors are practically attached one to the other by their end faces facing one the other.
  • Possible gaps between two elements 7C, 10, 10A neighbors and associates, resulting in example of the curvature of tool 1 seen in a plane intersecting perpendicular to the axis of rotation can be filled in the usual way in the trade (material infiltration, adequate sealant, etc.).
  • the leading edge 6 of each blade 5 of the tool 1 of the invention present in the whole a form of propeller, with variable diameter from the axis of rotation or from its most extreme close to it, on the anterior side 4, up to its opposite end located on the peripheral surface cylindrical 3 of body 2.
  • This propeller can rotate either in the same direction either in the opposite direction to the direction of rotation S during drilling as it deviates of the axis of rotation and / or of the anterior face 4.
  • the leading edge 6, seen in plan can start radially, or even in the direction of the tool rotation S near the axis of rotation and can then bend to go in the opposite direction of said direction of rotation S.
  • each blade 5 can project from the body 2 and present, as an external surface, a portion of the surface of revolution 12 in which elements are implanted cutting in PDC 7C or secondary 10 and associated 10A and which is delimited by anterior lateral faces 13 and posterior 14 (depending on the direction of rotation S in progress drilling or coring) which, in projection ( Figures 1, 3 and 5), follow the shape of the propeller of a leading edge 6 correspondent.
  • anterior lateral face 13A of a blade 5A follows the shape of the leading edge 6A of this same blade 5A while the posterior lateral face 14A of this blade 5A rather follows the shape of the edge 6B of the next 5B blade or a plot intermediate between those of the leading edges 6A and 6B.
  • the width of the portion of surface 12 and therefore the width of the blade 5, measured in a projection plane perpendicular to the axis of rotation, increases as one moves away from it on the anterior face 4 and / or that one deviates from this, on the peripheral surface 2, towards of a rear face 15 (FIG. 2) of the tool 1.
  • the number of cutting elements associates 10A arranged one behind the other and behind a cutting element 7C, 10 on the blade 5, to the same level D taken parallel to the axis of rotation and by with respect to a plane P which is perpendicular thereto, can gradually increase by an associated element 10A.
  • all elements in PDC 7C and / or secondary 10 and / or associated 10A have the same length.
  • Secondary cutting elements 10 and / or associates 10A are advantageously made in one cheaper material than that of PDC 7 elements.
  • secondary elements 10 and / or associated 10A are by example made of a composite material containing abrasive particles. It can be carbide sintered or infiltrated tungsten known to man of the loom, and possibly including particles of diamond.
  • associated elements 10A can however also be made in PDC and arranged by example between two other associated elements 10A in composite material cheaper than PDC, in the same line at the same level on a blade 5.
  • Elements secondary 10 and / or associated 10A can also be made in what is called in the profession of thermostable synthetic diamond.
  • Secondary elements 10 and / or associated 10A can have a different hardness between them, for example according to their position on tool 1, and may also contain percentages (by volume) variable in abrasive and / or diamond particles.
  • At least one blade 5 can extend into an area central 15A of the front face 4 and one of the blades 5 may present a cutting element in PDC 7B which acts practically in the center of this face 4.
  • the blade (s) 5 may preferably not have only PDC 7B cutting elements without associated cutting element 10A.
  • blade 5A can be closer to the axis of rotation than the others blades 5 and have a reduced width in this area central 15A.
  • blades like the 5B can start outside the central zone 15A and have as soon as they start a width such as several cutting elements 7C or 10 and 10A can be arranged online at a first level D most anterior on this blade 5B.
  • Drilling fluid conduits ( Figure 1) and / or coring can be provided so usual in tool 1.
  • the outlet nozzles 9 of this liquid can be of a type to be screwed into tool 1 so as to be exchangeable according to their dimensions flow and therefore the flow of liquid to the bottom of a well being drilled.
  • Nozzles 9 can however be made up of prefabricated elements. So when the manufacture of a tool 1 by molding, these elements prefabricated can be installed in locations provided in the mold at the same time as they are placed, in adequate locations, cutting elements in PDC 7, secondary la and associated 10A. The mold is then filled in the usual way with solid elements and powdered materials which constitute in a known manner itself, after infiltration of a liquid metal in this mass, the body 2 and the blades 5 proper, the liquid metal then fixing the elements at the same time prefabricated and cutting elements 7, 10, 10A aux blades 5 thus produced.
  • the cutting elements 7, 10, 10A are arranged at levels D and distances R from the axis of rotation chosen so that projection in a plane passing through the axis of rotation ( Figures 2, 4 and 6), the cutting elements 7, 10, 10A are complement each other to form at the bottom of a well drilled or cored a 15B envelope with leading edges 6 as regular as possible, without leaving high circular projections 16 between two circular grooves 17 cut by the cutting edges 8, 11 of the assembly leading edges 6 in formation 17A to be drilled or carotter.
  • the front face 4 of the tool drilling 1 (figure 2) is preferably concave in the central zone 15A and the cutting elements 7, 10, 10A are arranged so as to cut a bottom of the hole substantially conical drilling with a slight slope, for example between 10 ° and 30 °, relative to a perpendicular plane at the axis of rotation, the cone pointing towards the end back 15 of tool 1 in working position.
  • a 20 ° slope may be preferred.
  • the blades 5 in a helix are advantageously arranged on the peripheral surface 3 of so that, seen according to the projection of FIG. 1, a blade 5A covers the rear end 18F of a 5F blade which extends (in the case of this figure) along arrow 19A to below the part visible from slide 5A in this view, and the same for others. So continuity is assured, without shock, a bearing (thus improved) of tool 1 against a wall for example of the well being drilled.
  • the propeller described in the case of the drilling tool 1 can be considered to be a portion of a spiral, on the front side 4, followed by a properly propeller said on the peripheral surface 3.
  • a channel 19 ( Figures 1 and 2) is provided each time between two blades 5 and, advantageously, it widens at least from its furthest end close to the axis of rotation and possibly up to reach a specific width, for example as that the blades 5 which surround it widen.
  • Secondary cutting elements 10 and / or associates 10A preferably have their end faces 20 (anterior and / or posterior) parallel to the axis of rotation of the tool 1. These end faces 20 can form an angle with a radius starting from this axis rotating and going through any of their points.

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Description

La présente invention concerne un outil de forage et/ou de carottage, en particulier pour du forage et/ou du carottage pétrolier, du genre du préambule de la revendication 1, tel que divulgué aussi dans GB-A-2 204 625 ou FR-A-2 620 487.
Il y a une nécessité constante d'accroítre le rendement de tels outils de façon à ce que leurs vitesses de pénétration dans les formations à forer ou carotter soient des plus rapides sans réduire la durée de vie de l'outil, c'est-à-dire sans accroítre inutilement la charge à laquelle celui-ci est soumis pour le faire avancer en cours d'opération.
Il est recherché en même temps, pour accroítre une vitesse de pénétration moyenne, d'augmenter le temps pendant lequel un outil peut être maintenu en action dans un même puits de forage et/ou de carottage, de façon à éviter les temps morts de remontée, de contrôle, de remplacement éventuel de l'outil et de reprise du forage et/ou carottage.
La présente invention a pour but d'améliorer les conditions de forage et/ou de carottage connues à ce jour et propose à cet effet un outil qui, d'une part, procure une disposition particulièrement avantageuse et économique des lames et des éléments de coupe pour éviter un rebroyage inutile de débris détachés de la formation et qui, d'autre part, prévoit une réserve d'éléments coupants qui ne seront pratiquement mis en service et sollicités qu'en cas de besoin, par exemple à la suite d'un arrachage d'un élément coupant, éventuellement en PDC, situé sur un bord d'attaque.
A cet effet, suivant l'invention, l'outil précité comporte de plus, en dehors de ladite zone centrale et sur au moins une lame,
  • des éléments coupants en PDC et/ou des éléments coupants secondaires qui présentent chacun une arête de coupe, formant ensemble le bord d'attaque de la lame, et dont l'axe longitudinal est transversal à l'axe de rotation, et
  • au moins un élément coupant associé
    • qui est situé derrière, en considérant un sens de rotation de forage de l'outil, au moins un des éléments coupants en PDC ou secondaires,
    • qui présente une section transversale de même forme, du moins pour sa partie en saillie de la lame, que celle de l'élément coupant en PDC ou secondaire,
    • qui est disposé sur la même lame et
    • dont une arête destinée à la coupe est à au plus une même distance radiale de l'axe de rotation et à au moins une même distance, mesurée parallèlement à cet axe de rotation à partir d'un plan perpendiculaire à cet axe et situé en avant de l'outil 1, que l'arête de coupe de l'élément en PDC ou secondaire précité.
Suivant une forme de réalisation de l'invention, le bord d'attaque des lames a la forme d'une hélice à rayon éventuellement variable et qui, au moins le long de ladite surface périphérique, tourne soit en sens inverse du sens de rotation de forage soit dans le même sens à mesure qu'elle s'écarte de la face antérieure.
Suivant une forme de réalisation particulière de l'invention, la largeur d'une lame, prise dans un plan de projection perpendiculaire à l'axe de rotation, s'accroít à mesure que l'on s'écarte de ce dernier, sur la face antérieure, et/ou de celle-ci en direction d'une face postérieure de l'outil. Il peut être avantageux alors que le nombre d'éléments coupants disposés l'un derrière l'autre sur une même lame et sur des mêmes distances précitées, radiale et parallèle à l'axe de rotation, s'accroít progressivement, notamment d'un élément de préférence d'une longueur égale à celle des éléments coupants précités, à mesure que la largeur de la lame s'accroít.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront des revendications secondaires et de la description des dessins qui sont annexés au présent mémoire et qui illustrent, à titre d'exemples non limitatifs diverses formes, de réalisation de l'invention.
La figure 1 représente schématiquement dans une demi-vue en plan, en tant qu'outil, une tête de forage de l'invention.
La figure 2 représente schématiquement, en coupe axiale, une superposition dans le demi-plan de coupe, après une rotation adéquate autour de l'axe de rotation, des projections de tous les éléments coupants en PDC et secondaires des différentes lames d'un outil de forage.
La figure 3 représente schématiquement dans une demi-vue en plan, en tant qu'outil, une couronne de carottage de l'invention.
La figure 4 représente schématiquement, de la même manière que celle de la figure 2 mais simplifiée, les projections des éléments coupants en PDC circulaires et d'éléments coupants secondaires oblongs de différentes lames.
La figure 5 représente schématiquement, dans une vue partielle en plan, une autre forme de réalisation d'une tête de forage en tant qu'outil de l'invention.
La figure 6 montre schématiquement, à la manière de la figure 4 mais à une autre échelle, une projection dans un demi-plan axial des éléments coupants des diverses lames d'une tête de forage de l'invention.
Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
L'outil 1 de l'invention comporte de façon connue, comme le montrent les figures 1, 2 et 3, un corps 2 présentant une surface périphérique 3 sensiblement cylindrique et une face antérieure 4 en considérant un sens d'avance de forage et/ou de carottage.Des lames 5 s'étendent depuis la face antérieure 4 jusque sur la surface périphérique 3 et elles présentent chacune un bord d'attaque 6 pour le forage ou le carottage.
Des éléments coupants en PDC 7 (Poly-cristalline Diamond Compact ou comprimé de diamant polycristallin synthétique) sont situés au moins dans la zone centrale 15A et sont agencés de façon à ce que leurs axes longitudinaux soient transversaux à l'axe de rotation de l'outil 1.
Des éléments en PDC 7C peuvent être répartis le long du bord d'attaque 6 de chaque lame 5; ils présentent chacun une arête de coupe 8 constituant ensemble le bord d'attaque 6.
Selon la figure 1, ce sont des éléments secondaires 10 qui sont répartis le long de chaque bord d'attaque 6 et qui y présentent chacun une arête de coupe 8. On peut également concevoir suivant l'invention un panachage quelconque d'éléments secondaires 10 et d'éléments en PDC 7C le long d'un même bord d'attaque 6.
Par élément coupant secondaire 10, on peut entendre ici un élément coupant agencé en dehors de la zone centrale 15A, dont l'arête de coupe 8 fait partie du bord d'attaque 6. Un tel élément secondaire 10 peut être fabriqué par frittage et comporter des grains abrasifs et un liant métallique.
Des ajutages 9 (figures 1 et 2, non représentés à la figure 3) sont usuellement prévus sur la face antérieure 4 afin de fournir à travers eux un liquide adéquat au fond du puits en cours d'opération.
Suivant l'invention, l'outil 1 comporte de plus, derrière au moins un élément coupant en PDC 7C (figure 5) ou un élément secondaire 10 (figure 1) en considérant un sens de rotation de forage S de l'outil 1, au moins un élément coupant 10A associé à l'élément 7C ou 10, qui a une section transversale de même forme, du moins pour sa partie en saillie de la lame 5, que celle de ce dernier et qui est disposé sur la même lame 5 que l'élément 7C ou 10 auquel il est associé. De plus, une arête de coupe 11 de l'élément associé 10A est à au plus une même distance radiale R (figure 2) de l'axe de rotation et à au moins une même distance D, mesurée parallèlement à cet axe de rotation à partir d'un plan P perpendiculaire à cet axe et situé en avant de l'outil 1, que l'arête de coupe 8 de l'élément en PDC 7C ou secondaire 10 associé. L'élément ou les éléments associés 10A peuvent donc être en retrait par rapport aux éléments 7C ou 10 (figure 6) en ce qui concerne la formation à forer ou carotter.
Ainsi, si l'élément en PDC 7C ou secondaire 10 s'use ou est arraché de l'outil 1 ou est brisé, l'élément associé 10A, "à l'abri" jusque là derrière cet élément 7C ou 10, peut entrer en action et le rendement du forage et/ou carottage ne s'en ressentira pratiquement pas.
Les figures 1 et 5 montrent par exemple qu'au delà d'un diamètre déterminé autour de l'axe de rotation, un ou plusieurs éléments associés 10A se trouvent ainsi derrière chaque élément en PDC 7C ou secondaire 10 agencé sur le bord d'attaque 6 d'une même lame 5. On y voit également que les éléments en PDC 7 et secondaires 10 associés forment chaque fois alors une portion d'anneau centré sur l'axe de rotation.
Les éléments coupants en PDC 7 ou 7C étant usuellement en majorité cylindriques, il peut être préféré que les éléments secondaires 10 et/ou associés 10A le soient également et présentent alors avantageusement un diamètre égal à celui de l'élément en PDC 7C correspondant. Les diamètres des éléments en PDC 7, 7C, secondaires 10 et/ou associés 10A peuvent être soit tous égaux soit différents l'un par rapport à l'autre, par exemple en fonction de leur distance par rapport à l'axe de rotation.
Dans le cas de la couronne de carottage 1 de la figure 3, les éléments coupants 10 les plus proches de l'axe de rotation sont représentés comme ayant un même diamètre et une même orientation autour de cet axe que les autres éléments coupants 10 situés plus loin de l'axe de rotation. De plus, ces éléments 10 les plus proches sont représentés comme ayant une longueur supérieure à celle des autres éléments 10 situés plus loin de l'axe de rotation. Ils pourraient cependant avoir la même longueur que ces derniers. Usuellement, la couronne 1 ne comporte pas d'éléments coupants en PDC 7.
Dans le cas de la tête de forage 1 de la figure 1, les éléments coupants en PDC 7B les plus proches de l'axe de rotation sont représentés comme étant orientés chacun transversalement (montés par exemple sur des supports intermédiaires connus) par rapport à un plan axial correspondant. Des éléments en PDC 7C (figure 5) tels que ceux situés sur des diamètres supérieurs audit diamètre déterminé autour de l'axe de rotation peuvent également être montés sur les lames 5 de façon à ce que leur axe longitudinal soit incliné par rapport à un plan (celui du dessin) perpendiculaire à l'axe de rotation, de manière à ce que leur face d'extrémité comportant l'arête de coupe 8 soit quelque peu tournée vers un fond de trou à forer ou vers la formation 17A à forer.
Dans le cas de la figure 2, tous les éléments coupants en PDC 7C ou secondaires 10 et associés 10A ont un même diamètre et, sur une même lame 5, les éléments associés 10A situés à une même distance radiale R que l'élément secondaire 10 ou en PDC 7C correspondant sont de plus à une même distance D, parallèle à l'axe de rotation, que cet élément en PDC 7 par rapport au plan perpendiculaire P.
Les éléments en PDC 7C, secondaires 10, et associés 10A ont été représentés ci-dessus comme pouvant être cylindriques (figures 2 et 6). Au moins certains éléments associés 10A pourraient cependant présenter d'autres sections transversales, par exemple oblongues, elliptiques ou ovales (figure 4), le grand axe de l'ovale ou de l'ellipse pouvant être alors avantageusement sensiblement perpendiculaire à un plan tangent à une enveloppe 15B des éléments coupants 7, 10, 10A à l'endroit de contact entre l'arête de coupe 11 de l'élément associé 10A en question et cette enveloppe 15B. Des éléments associés 10A oblongs de ce genre augmentent ce que l'on peut appeler le volume de matière abrasive par unité de surface active de l'outil 1, étant donné la réserve que cela accumule en profondeur dans l'outil 1 et qui peut être utilisée. Il apparaít cependant que des éléments associés 10A circulaires augmentent déjà considérablement ce volume par rapport au cas des outils dits imprégnés.
Dans l'outil 1 de l'invention, il est préféré que des éléments coupants en PDC 7C (figure 5) ou secondaires 10 (figures 1 et 3) et les éléments associés 10A voisins soient pratiquement accolés l'un à l'autre par leurs faces d'extrémités tournées l'une vers l'autre. Des interstices éventuels entre deux éléments coupants 7C, 10, 10A voisins et associés, résultant par exemple de la courbure de l'outil 1 vue dans un plan sécant perpendiculaire à l'axe de rotation peuvent être comblés de la manière usuelle dans le métier (matériau d'infiltration, mastic adéquat, etc.).
Avantageusement, le bord d'attaque 6 de chaque lame 5 de l'outil 1 de l'invention présente dans l'ensemble une forme d'hélice, à diamètre variable depuis l'axe de rotation ou depuis son extrémité la plus proche de celui-ci, sur la face antérieure 4, jusqu'à son extrémité opposée située sur la surface périphérique cylindrique 3 du corps 2. Cette hélice peut tourner soit dans le même sens soit en sens inverse du sens de rotation S en cours de forage à mesure qu'elle s'écarte de l'axe de rotation et/ou de la face antérieure 4. Par exemple, en fonction de ce que l'on souhaite évacuer assez rapidement des débris tirés d'un fond de puits par les éléments coupants 7, 10, 10A on peut faire agir les lames 5 à la manière d'une vis d'Archimède ou d'une mèche hélicoïdale de forage comme cela est montré à la figure 1. De plus, le bord d'attaque 6, vu en plan, peut commencer de façon radiale, ou même dans le sens de la rotation S de l'outil près de l'axe de rotation et peut s'infléchir ensuite pour s'orienter en sens inverse dudit sens de rotation S.
Comme le montrent les figures 1, 2, 3 et 5, chaque lame 5 peut faire saillie du corps 2 et présenter, comme surface externe, une portion de surface de révolution 12 dans laquelle sont implantés des éléments coupants en PDC 7C ou secondaires 10 et associés 10A et qui est délimitée par des faces latérales antérieure 13 et postérieure 14 (selon le sens de rotation S en cours de forage ou carottage) qui, en projection (figures 1, 3 et 5), suivent la forme de l'hélice d'un bord d'attaque 6 correspondant. Ainsi la face latérale antérieure 13A d'une lame 5A suit la forme du bord d'attaque 6A de cette même lame 5A tandis que la face latérale postérieure 14A de cette lame 5A suit plutôt la forme du bord d'attaque 6B de la lame 5B suivante ou encore un tracé intermédiaire entre ceux des bords d'attaque 6A et 6B.
Avantageusement, la largeur de la portion de surface 12 et donc la largeur de la lame 5, mesurée dans un plan de projection perpendiculaire à l'axe de rotation, s'accroít à mesure que l'on s'écarte de ce dernier sur la face antérieure 4 et/ou que l'on s'écarte de celle-ci, sur la surface périphérique 2, en direction d'une face postérieure 15 (figure 2) de l'outil 1.
A mesure que la largeur d'une lame 5 augmente comme ci-dessus, le nombre d'éléments coupants associés 10A disposés l'un derrière l'autre et derrière un élément coupant 7C, 10 sur la lame 5, à un même niveau D pris parallèlement à l'axe de rotation et par rapport à un plan P qui lui est perpendiculaire, peut s'accroítre progressivement d'un élément associé 10A. Il peut être préféré que tous les éléments en PDC 7C et/ou secondaires 10 et/ou associés 10A aient une même longueur. Cependant il peut aussi être avantageux, par exemple pour mieux suivre l'accroissement de la largeur des lames 5, qu'au moins certains éléments associés 10A d'une lame 5 aient des longueurs différentes, par exemple égales à la moitié de la longueur des autres éléments coupants 7C, 10, 10A disposés en ligne à un même niveau D sur une lame 5.
Les éléments coupants secondaires 10 et/ou associés 10A sont avantageusement réalisés en une matière moins chère que celle des éléments en PDC 7. Les éléments secondaires 10 et/ou associés 10A sont par exemple réalisés en une matière composite contenant des particules abrasives. Il peut s'agir de carbure de tungstène fritté ou infiltré, connu de l'homme du métier, et comportant éventuellement des particules de diamant.
Certains éléments dits associés 10A peuvent cependant être eux aussi réalisés en PDC et disposés par exemple entre deux autres éléments associés 10A en matière composite moins chère que le PDC, dans une même ligne à un même niveau sur une lame 5. Des éléments secondaires 10 et/ou associés 10A peuvent également être réalisés en ce que l'on appelle dans le métier du diamant synthétique thermostable.
Les éléments secondaires 10 et/ou associés 10A peuvent présenter entre eux une dureté différente, par exemple suivant leur position sur l'outil 1, et peuvent contenir également des pourcentages (en volume) variables en particules abrasives et/ou de diamant.
Comme le montre en particulier la figure 1, au moins une lame 5 peut s'étendre jusque dans une zone centrale 15A de la face antérieure 4 et une des lames 5 peut y présenter un élément coupant en PDC 7B qui agit pratiquement au centre de cette face 4. Dans cette zone centrale 15A, la ou les lames 5 peuvent de préférence ne comporter que des éléments coupants en PDC 7B sans élément coupant associé 10A. Par exemple la lame 5A peut être plus proche de l'axe de rotation que les autres lames 5 et avoir une largeur réduite dans cette zone centrale 15A.
D'autres lames, comme la 5B peuvent débuter en dehors de la zone centrale 15A et avoir dès leur début une largeur telle que plusieurs éléments coupants 7C ou 10 et 10A puissent y être agencés en ligne à un premier niveau D le plus antérieur sur cette lame 5B.
Des espaces peuvent être ménagés entre les diverses lames 5 sur la face antérieure 4 pour y loger les ajutages 9. Des conduits de liquide de forage (figure 1) et/ou carottage peuvent être prévus de façon usuelle dans l'outil 1. Les ajutages 9 de sortie de ce liquide peuvent être d'un type à visser dans l'outil 1 de façon à être échangeables en fonction de leurs dimensions de passage et donc du débit de liquide vers le fond d'un puits en cours de forage.
Les ajutages 9 peuvent cependant être constitués par des éléments préfabriqués. Alors, lors de la fabrication d'un outil 1 par moulage, ces éléments préfabriqués peuvent être posés dans des emplacements prévus dans le moule en même temps qu'y sont posés, dans des emplacements adéquats, des éléments coupants en PDC 7, secondaires la et associés 10A. Le moule est ensuite rempli de façon usuelle avec des éléments solides et de matières en poudre qui constituent de façon connue en soi, après infiltration d'un métal liquide dans cette masse, le corps 2 et les lames 5 proprement dites, le métal liquide fixant alors en même temps les éléments préfabriqués et les éléments coupants 7, 10, 10A aux lames 5 ainsi fabriquées.
Bien entendu, d'une lame 5 à l'autre, les éléments coupants 7, 10, 10A sont disposés à des niveaux D et distances R de l'axe de rotation choisis pour qu'en projection dans un plan passant par l'axe de rotation (figures 2, 4 et 6), les éléments coupants 7, 10, 10A se complètent les uns les autres pour former au fond d'un puits foré ou carotté une enveloppe 15B de bords d'attaque 6 la plus régulière possible, sans laisser de hautes saillies circulaires 16 entre deux sillons circulaires 17 taillés par les arêtes de coupe 8, 11 de l'ensemble des bords d'attaque 6 dans la formation 17A à forer ou carotter.
Il doit être entendu que l'invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et que bien des modifications peuvent être apportées à ces dernières sans sortir du cadre de la présente invention.
Ainsi la face antérieure 4 de l'outil de forage 1 (figure 2) est de préférence concave dans la zone centrale 15A et les éléments coupants 7, 10, 10A y sont disposés de façon à tailler un fond de trou de forage sensiblement conique de faible pente, par exemple entre 10° et 30°, par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, le cône pointant vers l'extrémité postérieure 15 de l'outil 1 en position de travail. Une pente de 20° peut être préférée.
De plus, les lames 5 en hélice sont avantageusement agencées sur la surface périphérique 3 de manière à ce que, vu selon la projection de la figure 1, une lame 5A recouvre l'extrémité postérieure 18F d'une lame 5F qui s'étend (dans le cas de cette figure) suivant la flèche 19A jusqu'en dessous de la partie visible de la lame 5A dans cette vue, et de même pour les autres. Alors est assurée une continuité, sans choc, d'un roulement (ainsi amélioré) de l'outil 1 contre une paroi par exemple du puits en cours de forage.
Dans la projection de la figure 1, l'hélice décrite dans le cas de l'outil de forage 1 peut être considérée comme étant une portion de spirale, sur la face antérieure 4, continuée par une hélice proprement dite sur la surface périphérique 3.
Un canal 19 (figures 1 et 2) est prévu chaque fois entre deux lames 5 et, avantageusement, il s'élargit au moins à partir de son extrémité la plus proche de l'axe de rotation et éventuellement jusqu'à atteindre une largeur déterminée, par exemple à mesure que les lames 5 qui l'encadrent s'élargissent.
Des éléments coupants secondaires 10 et/ou associés 10A ont de préférence leurs faces d'extrémité 20 (antérieures et/ou postérieures) parallèles à l'axe de rotation de l'outil 1. Ces faces d'extrémité 20 peuvent former un angle avec un rayon partant de cet axe de rotation et passant par un quelconque de leurs points.
L'application de l'invention à une couronne de carottage se comprend à la lecture de ce qui précède et à l'examen de la figure 3 correspondante dans laquelle les ajutages éventuels de liquide de carottage n'ont pas été représentés. On aperçoit en particulier un décalage de distance radiale du premier élément coupant 10 d'une lame 5 par rapport à celui de la suivante, et donc des éléments coupants 10, 10A suivants sur chaque lame 5. Les éléments les plus proches de l'axe de rotation peuvent être disposés avec leur axe longitudinal perpendiculaire à l'axe de rotation, tel que cela est représenté, ou présentant une inclinaison particulière pour que l'arête de coupe 8 forme avec la formation 17A à creuser un angle de coupe déterminé.
LISTE DES REFERENCES
1
Outil
2
Corps
3
Surface périphérique de 2
4
Face antérieure de 2
5
Lame (dont on indique en particulier les lames 5A, 5B, 5F)
6
Bord d'attaque de 5 (et dont on indique en particulier les bords 6A, 6B des lames correspondantes)
7
Elément coupant en PDC (dont on indique également des variantes 7B et 7C en fonction de leurs positions relatives)
8
Arête de coupe de 7, 10
9
Ajutage
10
Elément coupant secondaire
10A
Elément coupant associé
11
Arête de coupe de 10A
12
Portion de surface de révolution de 5
13
Face latérale antérieure de 5 (dont on indique en particulier la 13A de la lame 5A correspondante)
14
Face latérale postérieure de 5 (dont on indique en particulier la 14A de la lame 5A correspondante)
15
Face postérieure de 1
15A
Zone centrale de 4
15B
Enveloppe
16
Saillies
17
Sillons
17A
Formation
18
Extrémité postérieure de 5 (dont on indique en particulier 18F de la lame 5F correspondante)
19
Canal
19A
Flèche
20
Faces d'extrémité de 10, 10A
P
Plan perpendiculaire, devant l'outil 1
D
Distance à partir de P
R
Distance radiale
S
Sens de rotation de l'outil 1.

Claims (15)

  1. Outil de forage ou de carottage, en particulier pour du forage ou du carottage pétrolier, comprenant :
    un corps (2) présentant une surface périphérique (3) sensiblement cylindrique et une face antérieure (4), en considérant un sens d'avance en cours de forage ou de carottage,
    des lames (5) qui s'étendent depuis la face antérieure (4) jusque sur la surface périphérique (3) et qui présentent chacune un bord d'attaque (6) pour le forage ou le carottage,
    le cas échéant, des éléments coupants en PDC (7) qui sont situés au moins dans une zone centrale (15A) de la face antérieure (4) et dont les axes longitudinaux sont transversaux à l'axe de rotation de l'outil (1),
    des ajutages (9) pour fournir un liquide de forage, et,
    en dehors de ladite zone centrale (15A) et sur au moins une lame (5),
    des éléments coupants d'attaque (7C, 10), choisis parmi des éléments coupants en PDC (7C) et des éléments coupants secondaires (10), chaque fois en forme de plaquette, qui présentent chacun une arête de coupe (8), formant ensemble le bord d'attaque (6) de la lame (5), et dont l'axe longitudinal est transversal à l'axe de rotation, et
    au moins un élément coupant associé (10A) qui est situé derrière au moins un des éléments coupants d'attaque (7C, 10) en considérant un sens de rotation (S) de forage de l'outil (1), et qui est disposé sur la même lame (5),
    caractérisé en ce que l'élément coupant associé (10A)
    présente une forme de plaquette de section transversale de même allure, du moins pour sa partie en saillie de la lame (5), que celle de l'élément coupant d'attaque (7C, 10).
    comporte pour la coupe une arête (11) disposée à au plus une même distance radiale (R) de l'axe de rotation et à au moins une même distance (D), mesurée parallèlement à cet axe de rotation à partir d'un plan (P) perpendiculaire à cet axe et situé en avant de l'outil 1, que l'arête de coupe (8) de l'élément coupant d'attaque (7C, 10) précité, et
    est pratiquement accolé par une face d'extrémité à une face contiguë d'extrémité de l'élément coupant d'attaque (7C, 10) ou d'un autre élément coupant associé (10A), immédiatement voisin sur la même lame (5).
  2. Outil de forage ou de carottage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie de chaque élément coupant associé (10A) est enfoncée dans la lame (5) pour sa fixation au corps d'outil (2) et en ce que, de préférence, l'élément coupant associé (10A) ainsi fixé présente une épaisseur sensiblement uniforme et une section transversale, prise le long d'un plan disposé à angle droit de l'axe longitudinal de couteau, qui est sensiblement circulaire, oblongue, elliptique ou ovale, avec une face de coupe façonnée de manière correspondante présentée au moins partiellement à la formation dans le sens de la rotation de l'outil.
  3. Outil de forage ou de carottage suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des éléments coupants secondaires (10) et/ou associés (10A) sont des éléments préfabriqués par frittage et comportant des grains abrasifs et un liant métallique.
  4. Outil de forage ou de carottage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des éléments coupants en PDC (7) et/ou des éléments coupants secondaires (10) et/ou associés (10A) sont cylindriques et ont de préférence des diamètres égaux.
  5. Outil de forage ou de carottage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bord d'attaque (6) des lames (5) a la forme d'une hélice à rayon éventuellement variable et qui, au moins le long de ladite surface périphérique (3), tourne soit en sens inverse du sens de rotation (S) de forage soit dans le même sens à mesure qu'elle s'écarte de la face antérieure (4).
  6. Outil de forage ou de carottage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la largeur d'une lame (5), prise dans un plan de projection perpendiculaire à l'axe de rotation, s'accroít à mesure que l'on s'écarte de ce dernier sur la face antérieure (4) et/ou de celle-ci en direction d'une face postérieure (15) de l'outil (1).
  7. Outil de forage ou de carottage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le nombre d'éléments coupants associés (10A) disposés l'un derrière l'autre sur une même lame (5) et aux mêmes distances (D, R) précitées, radiale et parallèle à l'axe de rotation, s'accroít progressivement, notamment d'un élément coupant associé (10A), de préférence d'une longueur égale à celle des éléments coupants secondaires (10) précités, à mesure que la largeur de la lame (5) s'accroít.
  8. Outil de forage ou de carottage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que des éléments coupants secondaires (10) et/ou associés (10A) sont réalisés en une matière composite contenant des particules abrasives.
  9. Outil de forage ou de carottage suivant l'une quelconque des revendication 1 à 8, caractérisé en ce que des éléments secondaires (10) et/ou associés (10A) sont des diamants synthétiques thermostables.
  10. Outil de forage ou de carottage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que des ajutages (9) sont constitués par des éléments préfabriqués posés dans des emplacements prévus dans un moule de fabrication, en même temps qu'y sont posés, dans des emplacements adéquats, les éléments coupants en PDC (7), et/ou secondaires (10) et/ou associés (10A), le moule étant ensuite rempli avec des éléments solides et matières en poudre qui constituent, après infiltration de métal liquide, le corps (2) et les lames (5) proprement dits.
  11. Outil de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'au moins une lame (5) s'étend dans la zone centrale (15A) de la face antérieure (4) et comporte au moins un des éléments coupants en PDC (7) agencé pour agir au centre de cette face (4), l'arête de coupe (8) de cet élément coupant en PDC (7) appartenant au bord d'attaque (6) de ladite lame (5).
  12. Outil de forage ou de carottage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'au moins un élément coupant associé (10A) a une section transversale oblongue et en ce que de préférence la plus grande dimension de cette section transversale est orientée sensiblement perpendiculairement à un plan tangent à une enveloppe (15B) des éléments coupants (7, 10, 10A) à l'endroit de contact entre l'arête de coupe (11) de l'élément associé (10A) concerné et ladite enveloppe (15B).
  13. Outil de forage ou de carottage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'axe longitudinal d'au moins certains des éléments coupants en PDC (7) et/ou secondaires (10) présente une inclinaison par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, de manière à ce que leur face d'extrémité comportant l'arête de coupe (8) soit quelque peu tournée vers un fond de trou à forer.
  14. Outil de forage ou de carottage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'axe longitudinal d'au moins certains éléments secondaires (10) et/ou associés (10A) est compris chaque fois dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation.
  15. Outil de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la face antérieure (4) est concave dans la zone centrale (15A) et en ce que les éléments coupants (7, 10, 10A) y sont disposés pour tailler un fond de trou de forage de forme sensiblement conique, de faible pente par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de rotation.
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