Dispositif de forage

Description

[0001] La présente invention a pour objet un dispositif de forage comprenant une tête de forage comportant un corps rotatif traversé axialement par un conduit de distribution sous pression d'air ou de gaz ou tout autre fluide de forage et supportant au moins un élément rotatif de taille et au moins un élément de contre-réaction monté sur le corps rotatif dans une position diamétralement opposée à celle de l'élément de taille et disposé à une distance radiale du corps rotatif assurant le centrage de la tête de forage.

[0002] Des dispositifs de forage comprenant une tête de forage munie de trois éléments de taille sensiblement coniques ou tronconiques sont connus et utilisés depuis les années 1930. Les trois sommets fictifs des éléments de taille coïncident avec un point de l'axe de rotation de la tête de forage. La surface latérale de chaque cône est munie de dents dont les dimensions et l'affûtage sont fonction de la nature du sol à forer. Chaque cône est monté sur la tête de forage de sorte qu'il s'appuie sur le sol suivant une de ses génératrices et les dents d'un cône pénètrent dans les espaces entre dents du cône adjacent. L'action de trois cônes sur le sol est la même que s'il s'agissait de trois rouleaux munis de dents. Chaque cône est retenu radialement par un axe sur lequel est monté un roulement à billes retenant le cône axialement. Lors du forage, surtout s'il s'agit d'un sol rocailleux, il faut exercer une grande pression pour casser le roc et ensuite le découper et le déblayer. Les trois cônes travaillant le long d'une de leurs génératrices la surface de travail est grande et il faut donc exercer une grande charge sur la tête de forage pour obtenir la pression nécessaire. Le sol subit une grande compression qui a pour effet de casser le roc, surtout s'il s'agit d'un roc fissuré, sur une surface plus étendue radialement que celle du forage en créant ainsi un profil de forage irrégulier et une paroi instable.

[0003] L'injection continue d'un fluide de forage au . fond du puits assure l'évacuation des déblais de terrain découpés par les trois cônes. Le diamètre de la surface du fond du puits est approximativement le même que le diamètre de la tête de forage et l'évacuation de déblais n'est assurée que si leurs dimensions leur permettent de passer entre la périphérie de la tête et la paroi du puits. Il faut donc que les morceaux de déblais soit cassés jusqu'à ce qu'ils puissent passer entre la paroi du puits et la périphérie de la tête de forage en ralentissant ainsi l'avancement du forage et permettant à une partie de déblais véhiculée par le fluide d'arriver jusqu'aux roulements et provoquer leur destruction.

[0004] Le remplacement d'un cône en cas de panne est long car il faut démonter le roulement pour pouvoir retirer le cône.

[0005] On a déjà proposé dans le US-A-1 124 243 la construction d'une tête de forage munie d'un disque hémisphérique fixé sur un axe presque perpendiculaire à l'axe du corps rotatif. La circonférence du disque est munie de moyens pour couper et profiler la paroi tandis que la surface sphérique s'appuie contre le fond du puits pour casser par compression le fond et les morceaux découpés par l'arête du disque.

[0006] On a également proposé dans le brevet US-A-1852 843 un dispositif de forage comprenant un disque en forme de soucoupe volante dont la périphérie est tranchante et disposé de sorte que le plan contenant la périphérie tranchante soit parallèle au sens du forage. L'axe de rotation du disque est fixé à l'extrémité inférieure excentrée et en forme de fourche d'un côrps rotatif. Un élément de contre-réaction sert à presser le disque contre la paroi. L'élément de contre-réaction se présente sous la forme d'un rouleau disposé sur le corps rotatif et peu avant le coude de la partie excentrée, donc bien plus haut que le disque tranchant. Le disque coupe la paroi seulement par son arête tranchante et uniquement sur environ la moitié inférieure de sa périphérie. Par la forme du disque ce dispositif de forage est surtout prévu pour forer un sol relativement mou.

[0007] L'invention a pour but de permettre la réalisation d'un dispositif de forage opérant sous une faible charge stable, l'élément de taille étant facilement monté à la tête de forage et permettant l'évacuation de grands morceaux de déblais et apte à travailler dans n'importe quel sol.

[0008] Le dispositif de forage selon l'invention est caractérisé par la clause caractéristique de la revendication 1.

[0009] La position de l'élément de contre-réaction permet la stabilisation de la tête de forage qui a tendance à osciller autour de l'axe de forage et permet d'excentrer légèrement le point inférieur de la surface de taille par rapport à l'axe de forage.

[0010] La disposition de la couronne lui permet d'agir sur la paroi à tailler par la plus grande partie d'une au moins de surfaces annulaires pourvues de moyens pour tailler, l'action de la couronne étant de raboter la paroi et non de la comprimer pour obtenir sa désintégration. Il y a certes une légère compression de la part de la couronne tout au fond du puits mais elle n'est pas essentielle pour le travail du dispositif. D'autre part, l'élément de la contre-réaction s'appuyant sur la paroi opposée permet le centrage de l'outil et compense la réaction radiale de la paroi qui a tendance à chasser la couronne. La charge nécessaire au forage est relativement faible, le forage étant obtenu par rabotage et non par compression. On obtient ainsi une paroi plus stable. La paroi ayant moins tendance à s'affaisser que dans le cas de l'utilisation d'une tête de forage conventionnelle, on peut limiter les frais d'installation de tubes prévenant l'affaissement de la paroi. La couronne de taille s'appuie seulement sur une partie du fond du puits, moins que la moitié, et elle laisse un grand espace pour l'évacuation de grands morceaux de déblais.
Selon une variante la tête de forage est munie d'au moins deux couronnes de taille espacées axialement et disposées alternativement sur deux côtés opposés du corps rotatif. Cette tête étant surtout utilisée pour élargir le diamètre d'un puits précédemment foré les dimensions d'une couronne de taille et/ou la longueur de son axe de rotation sont plus grands que ceux de la couronne précédente et plus petits que ceux de la couronne suivante en allant de l'extrémité inférieure vers l'extrémité supérieure du corps rotatif. Enfin dans le cas de l'élargissement du diamètre du puits l'organe de forage inférieur qui sert uniquement en tant que guide peut être un trépan conventionnel. La surface de taille de la couronne peut avoir une forme approximativement tronconique ou celle d'un anneau sphérique.

[0011] Selon une autre variante- la couronne de taille est entraînée en rotation indépendamment de la rotation du corps rotatif et ainsi on augmente son effet de découpage ce qui permet d'un côté d'accélérer le travail de forage et de l'autre côté de diminuer encore la charge exercée parallèlement au sens de forage.

[0012] Selon une variante l'élément de contre-réaction est un galet présentant une section elliptique perpendiculairement à l'axe du forage. L'avantage de ce galet, qui en réalité ne roule pas continuellement mais frotte contre la paroi découpée, est qu'il permet le centrage automatique de la tête même aux endroits où la paroi du puits est découpée plus profondément à cause de l'instabilité du sol ou parce que un plus grand morceau de roc est découpé. En effet, on peut considérer que dans les conditions normales le galet frotte contre la paroi par une partie de sa surface latérale perpendiculaire au petit axe de l'ellipse et que lorsque le galet, à cause d'une irrégularité de la paroi, ne sera plus en contact avec la paroi la tête de forage sera décentrée sous l'action de la réaction de la paroi contre la couronne de taille jusqu'à ce que le galet entrera de nouveau en contact avec la paroi et à ce moment recentrera la tête en roulant par sa surface latérale et en poussant la couronne contre la paroi. Bien sûr la profondeur de l'irrégularité ne doit pas être supérieure à la différence de longueur entre le demi-petit et le demi-grand axe de l'ellipse. Le roulement du galet est inférieur à 90°. Dès que la couronne entre en contact avec la paroi le galet ne roule plus mais frotte uniquement contre la paroi par une partie de sa surface latérale qui est plus éloignée de l'axe du galet que la partie considérée dans les conditions normales.

[0013] Préférablement le galet est en matière déformable et sa surface latérale est en matériau dur. Un galet à section circulaire monté sur un bras extensible radialement peut être utilisé.

[0014] Selon une autre variante préférée l'élément de contre-réaction est une simple surface de friction montée sur un bras radial.

[0015] Le dessin annexé représente à titre d'exemple quatre formes d'exécution de l'invention.

La figure 1 est une vue en coupe axiale d'une première variante d'exécution.

La figure 2 représente la même variante que la figure 1 la couronne de taille et le galet étant différents.

La figure 3 est une vue schématique d'une tête de forage destinée à élargir un forage existant.

La figure 4 est une vue schématique et en coupe axiale et de profil d'une tête de forage munie des moyens pour entraîner en rotation la couronne de taille.

La figure 5 est une vue en plan d'un galet de contre-réaction de section elliptique.

La figure 6 est une vue en perspective d'un élément de contre-réaction de forme particulière.

[0016] La tête de forage (fig. 1) comporte un corps rotatif 1 qui vient se visser à l'extrémité d'une tige, non représentée, entraînée en rotation. La partie supérieure du corps rotatif 1 présente une partie tronconique 2 munie d'un filetage 3.

[0017] Le corps 1 présente sur sa partie inférieure une partie cylindrique 4 dont l'axe diverge vers le bas par rapport à-l'axe de rotation du corps 1. Une couronne 5 est fixée sur la partie cylindrique 4. La surface de taille de la couronne a une forme tronconique ou, comme représentée à la figure 1, elle est composée de deux surfaces tronconiques opposées 6 et 7. La surface annulaire 7 est munie de moyens pour tailler. La partie cylindrique 4 servant d'axe de rotation pour la couronne 5, est munie d'un roulement à billes 8 facilitant la rotation de la couronne 5. Un épaulement 9 de la partie cylindrique 4 sert de palier de butée pour la couronne et peut être également muni d'un roulement à billes 10. Un écrou 12 assure la fixation de la couronne 5 sur son axe 4, une garniture d'étanchéité 11 protégeant le roulement à billes 8, est disposée entre l'écrou 12 et le roulement à billes 8. Un galet d'axe 14 parallèle à l'axe de rotation de la tête de forage est monté entre deux plaques horizontales 15 et 16 faisant partie du corps 1. Les génératrices 17 et 7 du galet 13 et de la couronne 5, les plus éloignées de l'axe de rotation du dispositif sont diamétralement opposées. Il est possible de munir le dispositif d'autres galets espacés angulairement ou axialement. Le corps 1 est traversé axialement par un conduit 18 débouchant par un orifice 19 dans le trou foré. Le conduit 18 sert à amener de l'air, de l'eau ou de la boue au fond du trou pour lubrifier et refroidir la couronne et évacuer les déblais du terrain. L'axe 4 de la couronne 5 peut être également traversé par une dérivation du conduit 18 débouchant par un trou de l'écrou 12. De cette façon on obtient un meilleur refroidissement des roulements à billes radiaux 8 et de butée 10. Il est possible de munir la couronne sur sa surface active des orifices à travers lesquels un liquide est éjecté sous une grande pression contre la surface à découper. Ce liquide pénètre, selon la nature du sol, dans la paroi et facilite le découpage.

[0018] Le forage s'effectue de la manière suivante: Le corps 1 est entraîné en rotation d'une manière conventionnelle et une faible charge est exercée sur la tête de forage. La surface latérale de la couronne 5 étant munie de dents ou étant simplement affûtée suivant la nature du sol, rabotte le sol et crée un trou dont le fond présente une section axiale ayant un profil 20 approximativement parabolique.

[0019] Pour expliquer le fonctionnement du dispositif on peut considérer le cas d'une couronne munie de dents sur la surface annulaire 7 et bloquée par rapport à son axe de rotation, lors de la rotation de la tête les dents creusent une série de gradins. A cause de la charge exercée sur la tête de forage la couronne s'enfonce au fur et à mesure de la rotation et la face horizontale du gradin créée par une dent est rabotée par une dent voisine décrivant une circonférence d'un diamètre plus grand que celui de la circonférence décrite par la dent précédente. Si l'on considère maintenant que la couronne 5 est libre en rotation autour de son axe 4 et que la somme vectorielle de forces s'exerçant sur sa surface de taille n'est pas nulle il en résulte un couple qui entraîne la couronne 5 en rotation autour de son axe 4. Ainsi chaque point de la paroi est découpé sous l'action d'une force sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation de la tête de forage et tangente à la paroi 20 et d'une force perpendiculaire à l'axe 4 de rotation de la couronne 5. Ces forces sont dues respectivement à la rotation de la tête de forage et à la rotation libre la couronne 5.
Auparavant et suivant la nature du sol il faut qu'un trou de quelques centimètres de profondeur soit foré par d'autres moyens afin qu'une grande partie de la surface active de la couronne de taille 5 soit en contact avec le sol. Sans cette précaution au début du forage surtout sur un terrain dur la couronne 5 a tendance à rouler autour de son axe 4, une petite partie de sa circonférence étant seulement en contact avec le sol. Pour assurer la rotation de sa couronne 5 autour de son axe 4 lors du forage il faut que le point d'appui 21 de la surface de taille se trouvant le plus bas soit éloigné de l'axe géométrique de rotation 23 d'au moins 1 mm. Le galet 13 lors du forage s'appuie sur la surface latérale du trou et sert de contre-réaction à la réaction du sol contre la couronne et il raffermit la paroi.

[0020] La variante illustrée à la figure 2 diffère de la variante précédente seulement quant à la forme du galet et de la surface de taille.

[0021] En effet, le galet 13' a une forme d'un paraboloïde tronqué pour collaborer avec la paroi du fond du puits. Il est évident que ce même galet peut être à la place du galet 13 de la variante précédente. La surface latérale 7 de la couronne a pour cette variante la forme d'un anneau sphérique. La surface de taille étant en contact avec la paroi a un diamètre maximum qui peut être défini sur cette figure par la longueur du segment reliant les points 21'et 22'. Le point 22'et le point 17'du galet doivent se trouver au maximum au même niveau, la disposition du galet relativement à la couronne doit être telle que la tête reste équilibrée lors du forage c'est-à-dire qu'elle n'oscille pas autour de l'axe de forage. Le point 17' est le point le plus élevé du galet 13' en contact avec la paroi. Il semble que la longueur optimale du plus grand diamètre de la surface de taille est celle qui correspond à la longueur du côté d'un triangle équilatéral inscrit dans un cercle ayant le même diamètre que le diamètre du forage. Cette longueur est représentée sur les figures 1 et 2 par les segments 21-22 respectivement 21'-22'.

[0022] Pour le reste de la figure 2 les mêmes références indiquent les mêmes éléments décrits précédemment. La distance du point 21' à l'axe du puits est fortement exagérée sur le dessin. En réalité elle est de quelques millimètres et la pointe restante au fond du puits est écrasée par la surface latérale de la couronne. D'autre part, cette pointe sert à retenir centrée la tête de forage et dans ce cas le galet ou l'élément de contre-réaction n'est pas en contact continu avec la paroi du forage.

[0023] Il est possible de profiler la surface de taille de sorte que au fur et à mesure de l'usure de surfaces annulaires de taille (munies ou non de dents) les surfaces adjacentes prennent la relève tout en continuant à donner le même profil au trou foré. En effet, le profil du trou approximativement en double parabole de la figure 2 est souhaité car la pointe du milieu permet justement d'autostabiliser la tête, la couronne étant à une position légèrement excentrée.

[0024] Les formes arrondies tant du galet et de son support ainsi que de la couronne de taille facilitent le retrait de la tête de forage.

[0025] La figure 3 montre schématiquement une variante d'exécution servant à élargir le diamètre d'un forage 44 obtenu par un dispositif de forage conforme à la première réalisation décrite ou par un autre moyen conventionnel.

[0026] Le dispositif représenté présente trois couronnes de taille 45, 46, 47 espacées axialement et disposées alternativement de deux côtés opposés du corps rotatif. Le diamètre de la couronne inférieure 45 est plus petit que celui de la deuxième couronne 46 lequel est également plus petit que celui de la troisième couronne 47. Il va de même de la longueur de leurs axes de rotation respectifs 52 à 53.

[0027] Afin de normaliser la construction il est possible soit d'avoir des couronnes de taille de même diamètre et d'axes de rotation de longueur différente ou vice versa. Le corps rotatif supportant les trois axes de rotation 51 à 53 de couronnes de taille 45 à 47 peut être d'une seule pièce mais cette exécution présente l'inconvénient d'une rigidité d'utilisation et surtout en cas de panne d'une des couronnes le changement de toute la tête de forage.

[0028] Afin d'éviter ces inconvénients chaque couronne de taille 45 à 47 est montée sur un corps rotatif propre 48 à 50. L'élément de forage inférieur correspond au dispositif de la figure 1 et nous renonçons à le décrire à nouveau. Sur le haut du corps rotatif 48 vient se fixer le corps rotatif 49 portant la couronne 46 de sorte que les deux couronnes 45, 47 se trouvent des deux côtés opposés du nouveau corps rotatif ainsi obtenu. Pour garantir la position relative de deux couronnes 45, 46 la fixation de deux corps rotatifs 48, 49 doit se faire par un système à baïonnette ou tout autre. Le troisième corps rotatif 50 est monté sur le deuxième 49 de la même manière mais en plaçant cette fois la couronne de taille 47 du même côté du corps rotatif obtenu que la première.

[0029] Chacun des corps rotatifs est muni d'un conduit axial 54 pour le passage du fluide de refroidissement et d'évacuation des déblais de terrain. Les conduits axiaux communiquent entre eux et chacun présente deux dérivations, une (référencée 33) traversant axialement l'axe de rotation 51, 52, 53 de la couronne de taille 45, 46, 47 correspondante, l'autre débouchant radialement sur la face latérale du corps rotatif. Le conduit 54, 33 est un conduit de distribution sous pression d'air, d'eau, ou de boue ou de tout autre fluide de forage débouchant soit près du centre de la couronne soit à des orifices disposés sur la surface de taille pour l'éjection sous pression du fluide contre la paroi du puits.

[0030] Lors de l'élargissement du puits foré 44 le premier élément de forage sert uniquement de guide et de contre-réaction au deuxième et ainsi de suite. Le premier élément de forage peut être un trépan conventionnel ayant servi au forage du puits 44.

[0031] Il est possible pour cette dernière variante de supprimer les galets correspondants aux couronnes supérieures chacune des couronnes servant de contre-réaction à l'autre.

[0032] Afin d'éviter les déformations radiales du corps rotatif commun il faut que la distance axiale entre deux couronnes de taille soit limitée.

[0033] Il semble que si la distance séparant les niveaux du point le plus haut de la première couronne 45 à celui du point le plus bas de la couronne suivante 46 égale au diamètre du puits préalablement foré on obtient une déformation acceptable.

[0034] Selon une variante, non représentée, on peut décaler légèrement l'axe de rotation de la couronne de taille par rapport à l'axe de rotation du dispositif de sorte qu'une partie de la surface de taille s'appuie plus fortement contre la paroi du puits et favorise le couple tendant à faire tourner la couronne autour de son axe. L'angle défini par l'axe virtuel de rotation décalé de la couronne et par la droite passant par le centre de la couronne et le point d'intersection des axes virtuels de rotation du corps rotatif et de la couronne non décalée doit être entre 1° et 5° pour obtenir l'effet susmentionné.

[0035] Le dispositif de forage décrit peut être utilisé pour toute sorte de forage vertical, oblique ou horizontal pour la recherche d'eau, de pétrole ou la recherche et exploitation minière. Une faible charge étant suffisante pour assurer le bon fonctionnement du dispositif décrit, il est avantageusement utilisé pour les forages sous-marins où on doit traverser des couches de dureté très différentes allant du sable aux rocs les plus durs. De même pour les forages horizontaux car une faible charge axiale est suffisante pour le bon fonctionnement. Il peut être avantageusement utilisé à la construction des tunnels. Les roulements servant uniquement à faciliter la rotation de la couronne peuvent être à billes, à rouleaux ou à aiguilles. Ils sont montés de façon étanche ce qui a pour conséquence de prolonger leur vie.

[0036] Il s'est avéré que l'on peut utiliser à la place des paliers à roulements des paliers lisses dont la durée de vie est plus longue.

[0037] La surface de taille peut être soit une surface dure soit munie de dents en diamant ou en carbure de tungstène ou autre, leur choix étant dicté par la nature du sol à forer.

[0038] La vitesse de rotation de la couronne autour de son axe pour les variantes décrites précédemment dépend de la vitesse de rotation de la tige du dispositif de forage sur laquelle la tête de forage est fixée et de la résultante vectorielle des forces appliquées sur la surface de la couronne. Cette dépendance diminue l'action de découpage de la couronne et prolonge le temps de travail et peut provoquer une usure asymétrique de la couronne de taille. La variante de la figure 4 permet de remédier à ces inconvénients. La tête de forage comporte un corps rotatif 101 vissée à l'extrémité de la tige 102 portant un bloc moteur 103. Une couronne de taille 105, illustrée tout à fait schématiquement, est montée sur un axe oblique 104 logé dans une partie oblique 106 du corps rotatif 101. Un galet 108 est disposé du côté diamétralement opposé à la partie oblique 106 du corps rotatif, son axe 109 étant supporté par deux bras parallèles 110 et 111. La couronne 104 est cinématiquement reliée au moteur 103 par l'intermédiaire de deux arbres 104 et 112 munis chacun à une des extrémités d'un pignon conique 113 respectivement 114, les deux pignons 113 et 114 étant couplés par une roue dentée 115. L'arbre moteur 112 indépendamment de la rotation de la tige 102 entraîne la roue dentée 115 en rotation qui transmet le mouvement à l'arbre 104 qui fait tourner la couronne 105 et qui découpe la paroi 116 du puits. Le bloc moteur 103 peut être une turbine entraînée par le liquide circulant à l'intérieur d'un conduit non représenté de la tige 102 et du corps rotatif 101 destiné à l'évacuation de déblais, ou tout autre dispositif moteur. La vitesse de rotation de la couronne 105 étant indépendante de la vitesse de rotation de la tige la charge à exercer sur la tête est plus faible. En effet la couronne de coupe 105 travaille comme une scie circulaire ou une fraise, l'effort principal de coupe étant fourni par la rotation propre de la couronne. Selon la nature du sol la couronne de coupe 105 est garnie de dents en diamant, tungstène ou autre matériau dur.

[0039] En se basant sur le même principe on peut réaliser une machine pour le forage horizontal pour l'extraction par exemple de charbon. La différence essentielle est que les tunnels forés pour l'exploitation minière ont un diamètre beaucoup plus grand. Il suffit alors de monter sur l'arbre existant d'une machine forant des tunnels un corps rotatif dont la partie oblique est beaucoup plus longue que la partie oblique 106 du corps 101 de la figure 4 ainsi que le ou les bras supportant le galet de contre-réaction. La partie oblique du corps rotatif étant plus longue on peut loger un dispositif moteur pour l'entraînement de la couronne directement sur cette partie du corps rotatif. Le travail d'un tel dispositif est le même aux dimensions près que celui du dispositif de la figure 4.

[0040] Pour mieux suivre les irrégularités du diamètre du trou de forage dûes à la nature du sol on peut monter le galet sur un bras extensible.

[0041] Une autre solution est d'utiliser un galet dont la section perpendiculairement à l'axe de forage est elliptique (fig. 5). Le galet représenté à la figure 5 est formé d'un anneau elliptique 120 en matériau dur tel que le tungstène entourant un noyau 121 d'un autre matériau par exemple du caoutchouc. Le noyau 121 est traversé axialement par un trou cylindrique 122 pour le passage de l'axe 109 du galet 108. Ce galet est destiné à frotter contre la paroi et à rouler uniquement quand il y a une irrégularité de la paroi jusqu'à ce que la couronne 105 soit en contact avec la paroi 116 du puits. On peut en effet considérer que le galet 108 frotte contre la paroi du puits de forage par. une partie de sa surface latérale qui est la plus proche du centre 122 du galet. Dès que le galet n'est plus en contact avec la paroi à cause d'une irrégularité (trou) de la paroi la tête est décentrée sous l'effet de la réaction de la paroi sur la couronne de taille 105. Le galet entre alors en contact avec la paroi et commence à rouler jusqu'à ce que la couronne de taille 105 soit amenée en contact avec la paroi. Bien sûr il faut que la variation du diamètre du puits corresponde à la différence de longueur en- .tre le demi-petit et le demi-grand axe de l'ellipse pour garantir le bon fonctionnement du dispositif. Le galet revient à sa position initiale dès que la variation du diamètre du forage a été éliminée.

[0042] Une autre solution qui a été également testée est d'utiliser à la place du galet de contre-réaction une surface de friction montée sur un support élastique. Cette solution permet de remédier à l'usure que subi l'axe du galet à section circulaire et qui tourne beaucoup plus rapidement que la tête de forage. La surface de friction peut être la surface latérale d'un élément-guide approximativement cylindrique ou prismatique fixe. Lorsque la partie de sa surface en contact avec la paroi du puits foré a été usée, on peut le tourner de sorte qu'une partie de la surface latérale non usée vienne en face de la paroi du puits. Un tel élément-guide 130 est représenté à la figure 6. Il s'agit d'un prisme dont les arêtes et la surface latérale sont arrondies. La surface latérale peut être munie de dents déformables élastiquement pour absorber les variations de la paroi du puits foré. L'élément 130 est fixe et disposé parallèlement à l'axe de forage de sorte qu'une de ses faces (ou arêtes) latérales se présente face à la paroi du puits. Lorsque cette face ou arête est usée on peut tourner l'élément 130 et présenter une des autres faces ou arêtes. Ce guide supérieur de compensation, non rotatif est effectivement une surface prédisposée à une parmi de nombreuses positions capables d'épouser la paroi du forage découpée par la couronne inférieure. Le guide de compensation peut être disposé de sorte qu'il agisse seu- icment contre la paroi verticale du puits ou peut -3;re disposé à un niveau inférieur de sorte qu'il repose sur l'extrémité supérieure de la base profilée du fond du puits. L'objectif principal du guide de compensation supérieur est d'assurer que la couronne inférieure est disposée, surtout au commencement d'un forage, à une position provoquant le creusement d'un fossé excentré par rapport à l'axe du puits (fig. 2).

Revendications

1. Dispositif de forage comprenant une tête de forage comportant un corps rotatif (1, 101) traversé axialement par un conduit (18,112) de distribution sous pression d'air ou de gaz ou de tout autre fluide de forage et supportant au moins un élément rotatif de taille (5, 105) et au moins un élément de contre-réaction (13, 13', 108, 120, 130) monté sur le corps rotatif (1, 101) dans une position diamétralement opposée à celle de l'élément de taille (5, 105) et disposé à une distance radiale du corps rotatif (1, 101), assurant le centrage de la tête du forage, caractérisé en ce que l'élément de contre-réaction (13, 13', 108, 120, 130) est monté à la même hauteur que l'élément de taille (5,105) pour permettre l'équilibrage et le centrage de la tête de forage et le raffermissement de la paroi de forage, que l'élément de taille (5, 105) est une couronne montée sur un axe fixé au corps rotatif (1,101) de façon que les axes de rotation du corps rotatif (1, 101) et de l'élément de taille (5, 105) soient divergents dans le sens de forage, en ce que la couronne est pourvue des surfaces annulaires de taille (7, 7') et en ce que l'élément de taille (5, 105) est en contact permanent avec la paroi de forage sur la plus grande partie de la surface d'au moins l'une des surfaces annulaires de taille (7, 7') formant ainsi un fond de forage ayant une forme au moins partiellement concave.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément de contre-réaction est un galet (13; 13'; 108, 120) monté sur un axe (14; 109) parallèle à la direction de forage.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le galet (13') a la forme d'un paraboloïde tronqué pour collaborer avec la paroi du fond de forage.

4. Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que le galet (108) présente perpendiculairement à son axe de rotation (109) une section en forme d'ellipse.

5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que les points les plus élevés (17'; 22') de la surface annulaire de taille (7') et du galet (13') sont au maximum au même niveau.

6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'élément de contre-réaction est une surface de friction (130).

7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la tête de forage comporte des moyens d'entraînement (103) en rotation de la couronne de taille (105) autour de son axe indépendamment de la rotation du corps rotatif (101).

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les moyens d'entraînement de la couronne de taille se composent d'un moteur solidaire de l'arbre rotatif (102) supportant la tête de forage et un dispositif (104, 112, 113, 114, 115) couplant cinématiquement le moteur (103) et la couronne de taille (105).

9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que le moteur est une turbine entraînée par le fluide circulant dans le conduit (112) du dispositif de forage.

10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les moyens d'entraînement sont solidaires de l'axe de rotation de la couronne.

11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que l'élément de contre-réaction est supporté par un bras radial extensible, tel qu'un vérin ou piston.

12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que le plus grand diamètre (21-22; 21'-22') de la zone annulaire de taille (7, 7') est approximativement égale au côté d'un triangle équilatéral inscrit dans un cercle de même diamètre que le diamètre de forage.

13. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la tête de forage comporte au moins deux couronnes de taille (45, 46, 47) dont les axes de rotation (51, 52, 53) sont fixés sur ledit corps rotatif (48, 49, 50) à des endroits espacés axialement et disposés alternativement sur deux côtés diamétralement opposés.

14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par le fait que le corps rotatif est composé d'au moins deux corps rotatifs (48, 49, 50) chacun supportant une couronne de taille (45, 46, 47) et fixés l'un à l'autre bout à bout par des moyens assurant la disposition relative des axes de rotation (51, 52, 53) des couronnes de taille respectives (45, 46, 47).

15. Dispositif selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé par le fait que le diamètre des couronnes (45, 46, 47) de taille et/ou la longueur de leurs axes de rotation (51, 52, 53) respectifs vont en croissant, les plus petites dimensions correspondant à la couronne de taille inférieure (45).

16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le corps rotatif est muni à son extrémité inférieure d'un trépan.

17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait que le point inférieur (21) de la surface de taille de la couronne située à l'extrémité inférieure du corps rotatif (1; 48, 101) se trouve à une distance radiale d'au moins 1 mm de l'axe virtuel de rotation (23) dudit corps rotatif.

18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé par le fait que l'axe de rotation (4; 51; 52; 53; 104) de la couronne de taille (5; 29; 45; 46; 47; 105) est traversé par un conduit (33) de distribution sous pression d'air, d'eau ou de boue ou tout autre fluide de forage débouchant soit près du centre de la couronne (5; 45; 46; 47; 105) soit à des orifices disposés sur la surface de taille pour l'éjection sous pression du fluide contre la paroi du puits.

19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait que l'axe de rotation de la couronne de taille est décalé par rapport à l'axe du corps rotatif.

20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que l'angle formé par l'axe virtuel de rotation décalé de la couronne et la droite joignant le centre de la couronne au point d'intersection des axes virtuels de rotation du corps rotatif et de la couronne si le dernier n'était pas décalé, est compris entre 1° et 5°.

21. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé par le fait que la surface de taille de la couronne (5; 45; 46; 47; 105) profilée ou munie de dents a la forme d'une surface calculable permettant à des anneaux successifs de la surface de taille ou de dents de maintenir le profil voulu du puits de forage même après l'usure subie par le premier anneau de surface de taille ou de dents en contact avec le matériau du puits.

Claims

1. Drilling device comprising a drilling head including a rotating body (1, 101) through which runs axially a duct (18, 112) for supplying under pressure air, gas or another drilling fluid and bearing at least a rotating cutting element (5, 105) and at least a counter-reacting element (13, 13', 108, 120, 130) mounted on the rotating body (1, 101) at a position diametrically opposite to that of the cutting element (5,105) and extending from the rotating body (1, 101) for radial distance ensuring that the drilling head is centered, characterized in that the counter-reacting element (13, 13', 108, 120, 130) is mounted on the same height as the cutting element (5, 105) to allow the drilling head to be in equilibrium and centered and the strengthening of the well wall, in that the cutting element (5, 105) is a disc mounted on a shaft fixed on the rotating body (1, 101) so that the axes of rotation of the rotating body (1, 101) and of the cutting element (5, 105) diverge in the drilling direction, in that the disc is provided with ring-shaped cutting surfaces (7,7'), and in that the cutting element (5, 105) is in permanent contact with the well wall on the largest part of the surface of at least one of the ring-shaped cutting surfaces (7, 7') causing thus to form a bottom of at least partially concave shape.

2. Device according to claim 1, characterized by the fact that the counter-reacting element is a roller (13; 13'; 108; 120) mounted on a shaft (14; 109) parallel to the drilling direction.

3. Device according to claim 2, characterized by the fact that the roller (13') is in the shape of a truncated paraboloid to correspond to the wall at the base of the drilling.

4. Device according to one of the claims 2 or 3, characterized by the fact that the roller (108) has an elliptical section in a perpendicular direction to its rotating shaft (109).

5. Device according to one of the claims 2 to 4, characterized by the fact that the highest points (17', 22') of the ring-shaped cutting surface (7') and of the roller (13') are at maximum on the same level.

6. Device according to claim 1, characterized by the fact that the counter-reacting element is a friction surface (130).

7. Drilling device according to one of the claims 1 to 6, characterized by the fact that the drill bit comprises means (103) for driving the cutting disc (105) in rotation around its shaft independently of the rotation of the rotating body (101).

8. Device according to claim 7, characterized by the fact that the means for driving the cutting disc consist of a motor (103) integral with the rotating shaft (102) bearing the drill bit and a device (104, 112, 113, 114, 115) connecting the motor (103) and the cutting disc (105)'kinematica!!y.

9. Device according to claim 8, characterized by the fact that the motor is a turbine driven by a fluid circulating in the duct (112) of the drilling device.

10. Device according to claim 7, characterized by the fact that the driving means are integral with the rotating shaft of the disc.

11. Device according to one of the claims 1 to 10, characterized by the fact that the counter-reacting element is supported by an extensible radial arm such as a jack or a piston.

12. Device according to one of the claims 1 to 11, characterized by the fact that the greatest diameter (21-22, 21'-22') of the ring-shaped cutting area (7, 7') is approximately equal to the side of an equilateral triangle inscribed in a circle of the same diameter as the drilling diameter.

13. Device according to claim 1, characterized by the fact that the drilling head comprises at least two cutting discs (45, 46, 47) whose rotating shafts (51, 52, 53) are fixed on to the said rotating body (48, 49, 50) at regularly spaced positions along its length and placed alternately on two diametrically opposed sides.

14. Device according to claim 13, characterized by the fact that the rotating body is made up of at least two rotating bodies (48, 49, 50) each bearing a cutting disc (45, 46, 47) and attached to each other end to end by components that ensure the relative position of the rotating shafts (51, 52, 53) of the respective cutting disc (45, 46, 47).

15. Device according to one of the claims 13 or 14, characterized by the fact that the diameter of the cutting discs (45, 46, 47) and/or the length of their respective rotating shafts (51, 52, 53) increase progressively, the smallest dimensions corresponding to the lower cutting disc (45).

16. Device according to one of the claims 1 to 15, characterized by the fact that the rotating body is equipped with a drill-bit at its lower end.

17. Device according to one of the claims 1 to 15, characterized by the fact that the lower point (21) of the cutting surface of the disc situated at the lower end of the rotating body (1, 48, 101) is at radial distance of at least 1 mm from the virtual rotating axis (23) of the said rotating body.

18. Device according to one of the claims 1 to 17, characterized by the fact that the rotating shaft (4, 5₁, 52, 53, 104) of the cutting disc (5; 29; 45; 46; 47; iG5) has a duct (33) running through it for supplying, under pressure, air or water or mud or any other drilling fluid emerging either near the centre of the disc (5; 45; 46; 47; 105) or from the ducts provided on the cutting surface for ejecting fluid under pressure against the wall of the hole.

19. Device according to one of the claims 1 to 18, characterized by the fact that the rotating axis of the cutting disc is displaced in relation to the axis of the rotating body.

20. Device according to claim 19, characterized by the fact that the angle formed by the virtual displaced rotating axis of the disc and the straight line joining the centre of the disc to the point where the virtual rotating axes of the rotating body and the disc would intersect if the latter were not displaced, is between 1' and 5'.

21. Device according to one of the claims 1 to 20, characterized by the fact that the cutting surface of the disc (5; 45; 46; 47; 105), profiled or fitted with teeth, is in the form of a calculable surface enabling successive rings of the cutting surface or teeth to maintain the desired profile of the drilling wall even after the wear undergone by the first ring of the cutting surface or the teeth in contact with the material of the hole.

Ansprüche

1. Bohrvorrichtung mit einem Bohrkopf, der einen Drehkörper (1, 101) aufweist, durch welchen axial eine Leitung (18, 112) zur Zuführung von Druckluft, Druckgas oder einem anderen bei Bohrarbeiten verwendeten Druckmittel verläuft und welcher wenigstens ein rotierendes Schneidelement (5, 105) und wenigstens ein Gegenwirkungselement (13, 13', 108, 120, 130) trägt, welches am Drehkörper (1, 101) in einer dem Schneidelement (5, 105) diametral gegenüberliegenden Lage im radialen Abstand vom Drehkörper (1, 101) montiert ist und die Zentrierung des Bohrkopfes gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenwirkungselement (13, 13', 108, 120, 130) zwecks Herstellung des Gleichgewichts und der Zentrierung des Bohrkopfes und zwecks Verfestigung der Schachtwand in derselben Höhe wie das Schneidelement (5, 105) montiert ist, dass das Schneidelement (5, 105) eine Krone ist, die auf einer am Drehkörper (1, 101) befestigten Achse derart montiert ist, dass die Drehachsen des Drehkörpers (1,101) und des Schneidelements (5, 105) in Richtung der Bohrung divergieren, dass die Krone mit kreisringförmigen Schneidflächen (7, 7') versehen ist und dass das Schneidelement (5, 105) mit dem grössten Teil der Fläche wenigstens einer seiner kreisringförmigen Schneidflächen (7, 7') ständig mit der Schachtwand in Berührung steht, so dass ein Schachtboden mit einer wenigstens teilweise konkaven Form gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenwirkungselement eine Rolle (13; 13'; 108, 120) ist, die auf einer parallel zur Bohrrichtung orientierten Achse (14; 109) sitzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (13') zwecks Anpassung an die Wand des Schachtbodens die Form eines Paraboloidstumpfs hat.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (108) senkrecht zu ihrer Drehachse (109) einen ellipsenförmigen Querschnitt aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die höchsten Punkte (17'; 22') der kreisringförmigen Schneidfläche (7') und der Rolle (13') sich maximal auf demselben Niveau befinden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenwirkungselement eine Reibfläche (130) ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf mit einer Antriebseinrichtung (103) zur Drehung der Schneidkrone (105) um ihre Achse unabhängig von der Drehung des Drehkörpers (10 ) ausgerüstet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung der Schneidkrone einen fest an der den Bohrkopf tragenden Drehwelle (102) angeordneten Motor und eine Einrichtung (104, 112, 113, 114, 115) aufweist, welche den Motor (103) und die Schneidkrone (105) kinematisch kuppelt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor eine Turbine ist, welche durch das in der Leitung (112) der Bohrvorrichtung umlaufende Druckmittel angetrieben wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung fest an der Drehachse der Krone angebracht ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenwirkungselement von einem radial ausziehbaren Arm, wie einer Schraubenspindel oder einem Kolben, getragen wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der grösste Durchmesser (21-22; 21'-22') der kreisringförmigen Schneidfläche (7, 7') näherungsweise gleich der Seite eines gleichseitigen Dreiecks ist, das in einen Kreis mit demselben Durchmesser wie der Bohrdurchmesser eingeschrieben ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf wenigstens zwei Schneidkronen (45, 46, 47) aufweist, deren Drehachsen (51, 52, 53) am erwähnten Drehkörper (48, 49, 50) im axialen Abstand voneinander und abwechselnd auf diametral gegenüberliegenden Seiten befestigt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Drehkörper aus wenigstens zwei Drehkörpern (48, 49, 50) besteht, von denen jeder eine Schneidkrone (45, 46, 47) trägt und die endweise durch Mittel befestigt sind, welche die relative Anordnung der Drehachsen (51, 52, 53) der betreffenden Schneidkronen (45, 46, 47) erlauben.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Schneidkronen (45, 46, 47) und/oder die Länge ihrer Drehachsen (51, 52, 53) wobei die unteren Schneidkronen (45) die kleinsten Abmessungen aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkörper an seinem unteren Ende mit einem Langbohrer versehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Punkt (21) der Schneidfläche der am unteren Ende des Drehkörpers (1, 48, 101) gelegenen Schneidkrone einen radialen Abstand von wenigstens 1 mm von der virtuellen Drehachse (23) des erwähnten Drehkörpers hat.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (4; 51; 52; 53; 104) der Schneidkrone (5; 29; 45; 46; 47; 105) von einer Leitung (33) zur Zuführung von Druckluft, Druckwasser, Schlamm oder irgendeinem anderen bei Bohrarbeiten verwendeten Druckmittel durchquert wird und diese Leitung (33) entweder nahe dem Mittelpunkt der Schneidkrone (5; 45; 46; 47; 105) oder in Öffnungen an der Schneidfläche mündet, um das Druckmittel unter Druck gegen die Schachtwand zu schleudern.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der Schneidkrone versetzt zur Achse des Drehkörpers angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der virtuellen versetzten Drehachse der Krone und der Geraden, welche die Mitte der Krone und den Schnittpunkt der virtuellen Drehachsen des Drehkörpers und der nicht versetzten Krone verbindet, zwischen 1' und 5' beträgt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidfläche der Krone (5; 45; 46; 47; 105), welche profiliert oder mit Zähnen versehen ist, die Form einer berechenbaren Fläche hat, derart, dass aufeinanderfolgende kreisringförmige Bereiche der Schneidfläche oder der Zähne das gewünschte Profil der Schachtwand, selbst nach Abnutzung des mit dem Schachtmateriat in Berührung stehenden ersten kreisringförmigen Bereichs der Schneidfläche oder der Zähne, beizubehalten erlauben.

Dessins