TAILLANT D'OUTIL DE FORAGE MONOBLOC

Description

[0001] La présente invention concerne des éléments de coupe ou taillants destinés à être fixés sur des outils de forage monoblocs utilisés dans le forage de formations rocheuses, par exemple dans les puits pétroliers ou dans le forage du ciment.

[0002] On connaît par le brevet U.S. 4 073 354 un taillant selon le préambule de la revendication 1. Pour expliquer le problème qui est à la base de l'invention, on décrira la structure et le fonctionnement de ce taillant 10 en se référant à la figure 1 ci-jointe qui montre une vue en coupe longitudinale du taillant. Celui-ci comprend un support 12 en forme de plot cylindrique réalisé en carbure métallique cémenté, par exemple en carbure de tungstène. Ledit plot est pourvu à une de ses extrémités d'une surface plane 14, inclinée par rapport à l'axe du plot. Sur cette surface est fixée, par exemple par brasage, une plaquette 16 formée à partir d'un mélange de fines particules de diamant polycristallin ou PDC, de poudre de cobalt et de carbure de tungstène. Ledit mélange est soumis à une pression et à une température très élevées, ce qui provoque son frittage et sa liaison avec le support. Les taillants ainsi fabriqués sont ensuite fixés sur la tête de l'outil 18 de forage, par exemple par sertissage dans des trous borgnes 20 prépercés sur la tête.

[0003] Le taillant 10 est positionné par rapport à la formation rocheuse 22, comme représenté sur la figure 1, c'est-à-dire de manière que la face plate libre 24 de la plaquette 16 fasse avec la normale N à la surface 25 de la formation rocheuse un angle aigu α, orienté dans le sens contraire au sens de déplacement F du taillant.

[0004] Il résulte de cette disposition que le taillant a un mode de fonctionnement par compression : la plaquette 16 attaque la formation frontalement par sa face plate 24 et la comprime, et par réaction, la roche exerce une pression sur la face plate 24. Etant donné que l'empreinte du taillant sur la roche est en forme de secteur de cylindre, le taillant devra être suffisamment résistant pour attaquer la roche frontalement sur toute l'étendue de ladite empreinte.

[0005] Dans le cas de formations rocheuses tendres à mi-tendres, la coupe pourra être faite avec une bonne efficacité : il se forme un copeau de roche 26 qui se brise devant la face plate 24 et qui est broyé avec accumulation de petits débris devant la face de la plaquette. Par contre, dans le cas de formations dures, la coupe est moins efficace en raison de la force considérable qui est nécessaire pour casser la roche simultanément sur toute la surface de l'empreinte. De plus, ladite force entraîne généralement des phénomènes vibratoires qui sont néfastes pour la durée de vie de l'outil.

[0006] Par le brevet WO 96/27 072, qui fait partie de l'état de la technique selon l'Article 54(3) CBE, on connaît un outil qui est utilisé par les tunneliers ou par les graveurs pour graver des motifs sur une roche. Cet outil comprend un unique taillant cylindrique en métal dur muni à son extrémité inférieure d'un insert en forme de bague cylindrique et ce taillant est monté rotatif autour de son axe sur un support. Mais un tel taillant n'a rien à voir avec l'objet de l'invention qui concerne un taillant d'outil monobloc, c'est-à-dire un taillant qui est serti sur la tête de l'outil sans possibilité de tourner par rapport à ladite tête.

[0007] De plus, ce taillant ne convient pas pour le forage de formations rocheuses, d'une part, parce que l'insert n'est pas réalisé en PDC et d'autre part, parce que l'insert présente une trop faible épaisseur dans la direction de la réaction qu'elle subit de la part de la formation rocheuse. Cette épaisseur, qui est en fait égale à la largeur de la bague dans le sens radial, est insuffisante pour pouvoir supporter la compression exercée par la formation rocheuse.

[0008] Le brevet US 4 373 593 concerne un taillant d'outil monobloc pour le forage d'une formation rocheuse qui comprend une portion de coupe en diamant polycristallin coupée en forme de coin et enveloppée au moins sur sa périphérie par une portion support. Mais, comme pour le brevet précédent, la portion de coupe a une trop faible épaisseur dans le sens perpendiculaire à l'axe de rotation de l'outil pour pouvoir supporter la réaction de la formation rocheuse.

[0009] La présente invention vise à remédier aux inconvénients de la technique antérieure susmentionnée et elle concerne à cet effet un taillant d'outil monobloc selon les revendications 1 et 5.

[0010] On notera que le taillant selon l'invention se distingue de celui du brevet US 4 073 354 par le fait que la plaquette a une orientation sensiblement à 90° par rapport à l'orientation qu'elle a dans ledit brevet. Elle attaque donc la formation rocheuse par sa paroi cylindrique et travaille en cisaillement et non en compression. Grâce à cette orientation, la plaquette présente, face à la formation rocheuse, une profondeur de PDC maximale, sensiblement égale au diamètre de la plaquette. Cette grande profondeur confère à la plaquette une grande résistance par rapport aux efforts de cisaillement exercés par la formation rocheuse.

[0011] On notera encore qu'il n'était pas évident pour l'homme du métier d'imaginer de faire travailler la plaquette en cisaillement, car il a toujours considéré que ce mode de travail risque de provoquer la destruction prématurée de la plaquette.

[0012] Mais, les récents progrès réalisés dans le domaine des plaquettes en PDC (réduction des contraintes résiduelles, amélioration de la résistance aux chocs, meilleure résistance à la température et meilleure maîtrise de la qualité) rendent possible à présent de les faire travailler de manière qu'elles subissent un cisaillement, sans que cela entame leur durée de vie.

[0013] La position donnée à la plaquette selon l'invention entraîne en outre toute une série d'avantages importants :

• elle permet d'utiliser des angles d'attaque plus agressifs et donc plus performants, en inclinant la plaquette "presque à plat" sur la surface de la formation ;
• la plaquette ne travaille plus avec sa face plate en contact avec le copeau, mais avec sa paroi latérale cylindrique (tout le long de son épaisseur) au contact avec la formation. Le copeau qui se forme n'est donc plus en contact avec la face plate mais avec la paroi cylindrique de la plaquette. Il en résulte que la plaquette réalise la rupture de la roche non seulement par cisaillement mais également par poinçonnement ;
• la distribution des forces se fait radialement sur la paroi cylindrique de la plaquette, ce qui a pour effet de réduire le phénomène vibratoire de l'outil ;
• l'épaisseur de la couche diamantée qui subit les efforts de coupe n'est plus de quelques dixièmes de millimètre, comme c'est le cas de la plaquette de la figure 1, mais de plusieurs millimètres. La durée de vie de la plaquette est donc notablement augmentée.

[0014] L'invention sera décrite à présent en détail en regard des dessins annexés dans lesquels :

la figure 1 est une vue en coupe d'un taillant selon la technique antérieure, serti dans un outil de forage monobloc qui n'est représenté que partiellement ;

la figure 2 est une vue en coupe d'un taillant selon l'invention ;

la figure 3 est une vue en coupe d'un taillant selon un second mode de réalisation de l'invention ;

la figure 4 est une vue en coupe d'un taillant selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; et

la figure 5 est une vue en coupe d'un taillant qui n'est pas un mode de réalisation de l'invention.

[0015] Le taillant 28 de l'invention illustré par la figure 2 comprend un support cylindrique 30 en carbure de tungstène cémenté, fixé dans un trou borgne 20 percé dans l'outil monobloc 18. Il présente une face plate inclinée 32 sur laquelle est fixée, par brasage ou autre, une plaquette 34 en PDC en forme de disque cylindrique.

[0016] Selon une caractéristique importante de l'invention, la face libre 36 de la plaquette fait avec la normale N à la surface 25 de la formation rocheuse un angle aigu α orienté dans le même sens que le sens de déplacement F du taillant.

[0017] Comme on l'a souligné précédemment, cette position est inhabituelle dans le domaine des outils de forage monoblocs où l'angle α que fait la face libre de la plaquette avec la normale N est orienté dans le sens contraire au sens de déplacement de l'outil.

[0018] La position de la plaquette selon la figure 2 est pratiquement à 90° par rapport à celle de la figure 1 et permet de travailler avec des inclinaisons β de la face 36 "presque à plat" par rapport à la surface 25 de la formation 38. La roche peut ainsi être attaquée sous des angles plus agressifs que dans le cas des taillants de la technique antérieure. Avantageusement, l'inclinaison β peut varier entre 0 et 25°.

[0019] Comme on le voit sur la figure 2, la plaquette travaille avec sa paroi latérale cylindrique 40 sur toute son épaisseur. Elle opère donc un poinçonnement de la roche à son point le plus bas P en même temps qu'un cisaillement.

[0020] Dans le taillant que l'on vient de décrire, la plaquette 34 a une épaisseur uniforme et pour des raisons d'économie, son épaisseur est relativement faible, de l'ordre de 0,5 à 1 mm. L'épaisseur de coupe h sera donc également faible. Le taillant selon ce mode de réalisation servira donc essentiellement à travailler les terrains mi-durs à durs.

[0021] Selon l'invention, on peut obtenir des profondeurs de coupe nettement plus importantes avec une même quantité de PDC et donc une même dépense, en utilisant le taillant selon la figure 3. Sur la surface inclinée du support 30 de ce taillant sont formées une série de rainures rectilignes parallèles 44 qui s'étendent dans la partie centrale de ladite surface. Ces rainures définissent entre elles des nervures 46 et elles aboutissent à une rainure périphérique 48 disposée à la périphérie de ladite surface. La rainure 48 peut être plus profonde que les rainures centrales 44. Sur la surface du support on fait adhérer une mince couche diamantée 50 qui remplit toutes les rainures 44, 48 et qui dépasse légèrement le sommet des nervures.

[0022] Ainsi, le maximum de quantité de PDC est concentré dans la portion périphérique du taillant. On pourra donner à la rainure périphérique une profondeur beaucoup plus grande que l'épaisseur des plaquettes standards. Les outils sertis avec de tels taillants pourront forer une plus grande gamme de duretés de terrain. De plus, ces taillants auront une plus grande durée de vie que ceux de la figure 1.

[0023] Il va de soi que les nervures et les rainures rectilignes peuvent être remplacées par tout relief en saillie et en creux.

[0024] Dans la variante de réalisation de la figure 4, il n'y a plus de fine couche diamantée sur l'ensemble de la face du taillant, mais seulement un anneau 52 en PDC disposé dans une rainure périphérique 54 formée sur la surface inclinée du support. La face libre de l'anneau vient à l'affleurement de l'âme centrale 56 en carbure de tungstène.

[0025] L'anneau 52 peut être encore plus épais et plus haut que dans le mode de réalisation de la figure 3. L'outil muni de tels taillants pourra donc forer des formations allant des plus tendres aux plus dures.

[0026] Un autre avantage de ce taillant réside dans le fait que l'âme 56 en carbure de tungstène peut être percée d'un trou 58 pour y placer une vis au moyen de laquelle le taillant peut être fixé sur le corps de l'outil.

[0027] Dans la figure 5, le taillant est tronconique et présente comme dans le mode de réalisation de la figure 4 un anneau 60 en PDC à la périphérie de sa grande base. La paroi latérale de l'anneau est confondue avec la paroi tronconique du taillant. Lorsque ce taillant est positionné conformément à l'invention, c'est-à-dire avec sa grande base "presque à plat" par rapport à la surface de formation, on peut obtenir une coupe de la roche avec un angle d'attaque γ positif. On rappelle que l'angle d'attaque est l'angle que fait la paroi latérale tronconique 62 de l'anneau avec la normale à la surface de la formation rocheuse. Il est bien connu dans la mécanique classique que ce type de taillant peut donner d'excellents résultats lorsque les matières à couper deviennent plastiques. De plus, ce taillant permet une grande vitesse de pénétration de l'outil. Ici aussi, le taillant peut être fixé sur le corps de l'outil monobloc au moyen d'une vis.

Revendications

1. Taillant d'outil monobloc pour le forage d'une formation rocheuse, du type comprenant un support cylindrique (30) en carbure métallique cémenté, pouvant être fixé sur l'outil (18), ledit support comportant à une extrémité une face terminale (32) qui est entièrement recouverte par une plaquette (34 ; 50) en forme de disque cylindrique formée à base de particules de diamant polycristallin et comprenant une paroi latérale cylindrique (40) et une face libre sensiblement plate (36), caractérisé en ce que la plaquette (34 ; 50) est disposée de manière que sa face plate libre (36) fasse avec la normale N à la surface (25) de la formation rocheuse un angle aigu (α), orienté dans le même sens que le sens de déplacement (F) du taillant, de sorte que la plaquette attaque la formation rocheuse par sa paroi latérale (40).

2. Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle (β), complémentaire de (α), que fait le plan de la face plate libre (36) de la plaquette avec la surface (25) de la formation rocheuse qui a été forée est compris entre 0 et 25°.

3. Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette (34) a une épaisseur constante sur toute la surface du support sur laquelle elle est fixée.

4. Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette (50) est fixée sur une face du support (30), qui présente des reliefs en creux (44) et en saillie (46) et qui comporte également à sa périphérie une rainure (48) de profondeur supérieure à celle desdits reliefs en creux, la couche de diamant polycristallin qui constitue la plaquette emplissant lesdits reliefs en creux et recouvrant d'une mince couche les sommets des reliefs en saillie.

5. Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette est constituée par un anneau (52) en diamant polycristallin fixé dans une rainure périphérique (54) formée sur le bord d'une face inclinée du support (30), le restant de ladite face du support n'étant pas recouvert de diamant polycristallin, et en ce que le support (30) est percé d'un trou (58) dans la région non recouverte de diamant polycristallin, pour le passage d'une vis destinée à fixer le taillant sur le corps de l'outil monobloc.

Ansprüche

1. Einblockwerkzeugschneide zum Bohren einer Felsformation, vom Typ mit einem zylindrischen Träger (30) aus zementiertem Metallkarbid, der an dem Werkzeug (18) befestigt werden kann, wobei der Träger an einem Ende eine Endseite (32) besitzt, die vollständig von einer die Form einer zylindrischen Scheibe aufweisenden Platte (34; 50) bedeckt ist, die aus polykristallinen Diamantpartikeln gebildet ist und eine zylindrische Seitenwand (40) sowie eine im wesentlichen ebene freie Seite (36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (34; 50) derart angeordnet ist, daß ihre freie ebene Seite (36) mit der Normalen N zu der Fläche (25) der Felsformation einen spitzen Winkel (α) einschließt, der in dieselbe Richtung gerichtet ist wie die Bewegungsrichtung (F) der Schneide, so daß die Platte die Felsformation mit ihrer Seitenwand (40) angreift.

2. Schneide nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (β), der Ergänzungswinkel von (α), den die Ebene der freien ebenen Seite (36) der Platte mit der Fläche (25) der aufgebohrten Felsformation einschließt, zwischen 0° und 25° beträgt.

3. Schneide nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (34) eine Dicke aufweist, die über die gesamte Fläche des Trägers, an der sie befestigt ist, konstant ist.

4. Schneide nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (50) an einer Seite des Trägers (30) befestigt ist, die Vertiefungen (44) und Erhebungen (46) und weiterhin an ihrem Umfang eine Nut (48) aufweist, deren Tiefe größer ist als die der Vertiefungen, wobei die Schicht aus polykristallinem Diamant, die die Platte bildet, die Vertiefungen ausfüllt und die oberen Enden der Erhebungen mit einer dünnen Schicht bedeckt.

5. Schneide nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte von einem Ring (52) aus polykristallinem Diamant gebildet ist, der in einer am Rand einer geneigten Seite des Trägers (30) ausgebildeten Umfangsnut (54) befestigt ist, wobei der Rest der Seite des Trägers nicht mit polykristallinem Diamant bedeckt ist, und daß der Träger (30) in dem Bereich, der nicht mit polykristallinem Diamant bedeckt ist, von einer Bohrung (58) zum Durchführen einer Schraube zum Befestigen der Schneide an dem Körper des Einblockwerkzeuges durchzogen ist.

Claims

1. An integral tool bit for drilling a rock formation, of the type comprising a cylindrical holder (30) of sintered metal carbide capable of being fixed to the tool (18), said holder comprising at one end an end face (32) entirely covered by a tip (34; 50) in the form of a cylindrical disk formed on the basis of polycrystalline diamond particles and comprising a cylindrical side wall (40) and a substantially flat free face (36), characterised in that the tip (34; 50) is disposed in such a way that its free flat face (36) forms with the line N normal to the surface (25) of the rock formation an acute angle (α) oriented in the same direction as the direction of displacement (F) of the tip, in such a way that the tip attacks the rock formation with its side wall (40).

2. A bit according to claim 1, characterised in that the angle (β), complementary to (α), formed between the plane of the free flat face (36) of the tip and the surface (25) of the rock formation which has been drilled is between 0 and 25°.

3. A bit according to claim 1, characterised in that the tip (34) exhibits a constant thickness over the entire surface of the holder to which it is fixed.

4. A bit according to claim 1, characterised in that the tip (50) is fixed to a face of the holder (30) which exhibits recessed portions (44) and projecting portions (46) and which also has at its periphery a channel (48) of a depth greater than that of said recessed portions, the layer of polycrystalline diamond which constitutes the tip filling said recessed portions and covering with a thin layer the apices of the projecting portions.

5. A bit according to claim 1, characterised in that the tip consists of a ring (52) of polycrystalline diamond fixed in a peripheral channel (54) formed about the edge of an inclined face of the holder (30), the remainder of said face of the holder not being covered with polycrystalline diamond, and in that the holder (30) comprises a hole (58), in the area not covered with polycrystalline diamond, for the passage of a screw designed to fix the bit onto the body of the integral tool.

Dessins