La présente demande concerne un procédé de forage auto-pénétrant et un outil générateur de poussée permettant de mettre en oeuvre le procédé. Un procédé du même domaine technique se retrouve dans le document US 5,641,027, considéré comme l'état de la technique le plus proche. La tendance actuelle du forage dirigé est de réaliser des puits présentant un déport latéral de plus en plus important. Pour des raisons de frottement de la garniture au fond du trou dans les parties inclinées et horizontales, le déport se trouve limité car il n'est plus possible de transmettre le poids à l'outil.
Un outil de forage monobloc comporte deux parties principales : une partie intérieure appelée "nez de l'outil" dont les taillants creusent sur le fond du forage et une partie extérieure appelée "flanc de l'outil" dont les taillants creusent principalement sur la paroi du forage. La demande concerne plus particulièrement le procédé de coupe de la sous-structure de coupe constituant le flanc de l'outil. La demande concerne également la sous-structure de coupe permettant de mettre en oeuvre le procédé.
Procédé
Le procédé selon la demande comprend l'étape de générer, au moyen d'un outil de forage actionné en rotation autour d'un axe, une poussée parallèle à la direction dudit axe et dirigée dans le sens d'avancement dudit outil dans la roche.
Ainsi, il est possible de réduire ou d'annuler (auto-pénétration) les besoins en poids de l'outil et permettre ainsi d'augmenter les possibilités d'extension en forage horizontal.
Dans une réalisation, le procédé est tel que ladite poussée sur ledit outil de forage est le résultat de la réaction de la roche sur l'outil de forage lors de l'action mécanique de coupe de la roche par l'outil de forage.
De préférence, l'outil comprend N lames numérotées de 1 à N dans le sens inverse de la rotation. Chaque lame est enroulée en spirale autour de l'axe de l'outil et est inclinée par rapport à celui-ci. La partie de la lame la plus proche du nez de l'outil est également la plus proche de l'axe de celui-ci. Chaque lame comporte K taillants. Le premier taillant est le taillant le plus proche de l'axe et du nez de l'outil. Chaque taillant est désigné par deux indices :
- le premier indice n, variant de 1 à N, correspond au numéro de la lame qui porte ledit taillant considéré,
- le second indice k, variant de 1 à K, correspond à la position du taillant considéré sur la lame en partant du premier taillant.
Ainsi, le kième taillant de la nième lame sera dénommé le taillant T(n,k).
Chaque taillant a une face, ci-après dénommée face d'attaque, prenant appui sur la roche.
De préférence selon la demande, pour générer une poussée dans la direction d'avancement de l'outil, on calcule les géométries, les positions et les orientations de tout ou partie desdits taillants en respectant les règles suivantes :
- le kième taillant de la dernière lame, T(N,k), creuse au (q-1)ième tour R(q-1) de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le (k+1)ième taillant de la première lame, T(1,k+1), au qième tour Rq de rotation de l'outil,
- le kième taillant de la nième lame, T(n,k), creuse au qième tour Rq de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le kième taillant de la (n+1)ième lame, T(n+1,k), au qième tour Rq de rotation de l'outil,
- la normale à la face d'attaque du taillant a une composante selon l'axe de rotation orientée vers l'amont.
Outil
La demande concerne également un outil de forage auto-pénétrant destiné au forage d'un puits dans une roche. L'outil de forage, actionné en rotation autour d'un axe, comporte une sous-structure constituant le flanc de l'outil, générant une poussée parallèle à la direction dudit axe et dirigée dans le sens d'avancement dudit outil dans la roche.
Selon un mode de réalisation, l'outil de forage est tel que ladite poussée sur ledit outil de forage soit le résultat de la réaction de la roche sur l'outil de forage lors de l'action mécanique de coupe de la roche par l'outil de forage.
De préférence, l'outil comprend N lames numérotées de 1 à N dans le sens inverse de la rotation. Chaque lame est enroulée en spirale autour de l'axe de l'outil et est inclinée par rapport à celui-ci. La partie de la lame la plus proche du nez de l'outil est également la plus proche de l'axe de celui-ci. Chaque lame comporte K taillants. Le premier taillant est le taillant le plus proche de l'axe et de la tête de l'outil. Chaque taillant est désigné par deux indices :
- le premier indice n, variant de 1 à N, correspond au numéro de la lame qui porte ledit taillant considéré,
- le second indice k, variant de 1 à K, correspond à la position du taillant considéré sur la lame en partant du premier taillant,
de sorte que le kième taillant de la nième lame sera dénommé le taillant T(n,k).
Chaque taillant a une face, ci-après dénommée face d'attaque, prenant appui sur la roche.
Les géométries, les positions et les orientations de tout ou partie desdits taillants sont telles que :
- le kième taillant de la dernière lame, T(N,k), creuse au (q-1)ième tour R(q-1) de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le (k+1)ième taillant de la première lame, T(1,k+1), au qième tour Rq de rotation de l'outil,
- le kième taillant de la nième lame, T(n,k), creuse au qième tour Rq de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le kième taillant de la (n+1)ième lame, T(n+1,k), au qième tour Rq de rotation de l'outil,
- la normale à la face d'attaque du taillant a une composante selon l'axe de rotation orientée vers l'amont.
D'autres caractéristiques et avantages de la demande apparaîtront à la lecture de la description de variantes de réalisation de lademande, données à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et de :
- la figure 1 qui représente une vue en perspective d'un outil de forage selon l'invention comprenant quatre lames et quatre taillants par lame, sur cette figure, on a également représenté les repères locaux (Xi, Yi, Zi) et le repère global (Xo, Yo, Zo) par rapport auxquels on définit la position des taillants,
- la figure 2 qui représente une vue de dessous d'un outil de forage,
- la figure 3 qui représente la géométrie d'un taillant,
- la figure 4 qui représente la position et l'orientation d'un taillant dans un repère local (Xi, Yi, Zi),
- la figure 5 qui représente une vue en perspective des interactions entre les taillants et la roche,
- la figure 6 qui représente, dans le cas d'un outil comportant quatre lames et deux taillants, la position et l'ordre de passage des taillants dans un plan fixe de l'espace passant par l'axe de rotation de l'outil,
- la figure 7 qui représente graphiquement, dans le cas d'un outil comportant quatre lames et deux taillants, la développée de la structure de coupe selon l'axe de pénétration et l'ordre de passage des taillants, et
- la figure 8 qui représente une vue schématique en perspective de l'interaction élémentaire entre un taillant et la roche.
On va maintenant décrire les variantes de réalisation de l'outil de forage selon la demande représentées sur les figures.
La figure 1 représente une vue en perspective d'un outil de forage 1 selon la demande comprenant quatre lames 2a, 2b, 2c, 2d et quatre taillants 3a, 3b, 3c, 3d par lame. Sur cette figure, on a également représenté un repère local (Xi, Yi, Zi) et le repère global (Xo, Yo, Zo) par rapport auquel on définit la position (ri, zi, θi) des taillants. L'outil est actionné en rotation autour d'un axe 4 (axe Zo). Les quatre lames 2a, 2b, 2c, 2d sont numérotées de 1 à 4 dans le sens inverse 5 de la rotation. Par convention, la première lame est celle qui porte le taillant le plus proche de l'axe de l'outil ; elle est numérotée 1 et correspond à la lame 2a sur la figure 1. Respectivement, les lames 2b, 2c, 2d sont numérotées 2, 3, 4. Chaque lame 2a, 2b, 2c, 2d est enroulée en spirale ascendante autour de l'axe 4 de l'outil 1 et est inclinée par rapport à celui-ci. La partie 2a1 de la lame 2a la plus proche du nez la de l'outil 1 est également la plus proche de l'axe 4 de celui-ci.
Chaque lame comporte quatre taillants. Ainsi la lame 2a porte les taillants 3a, 3b, 3c, 3d. Par convention, le premier taillant de chaque lame est le taillant le plus proche de l'axe 4 et du nez la de l'outil 1. Ainsi, le premier taillant de la lame 2a est le taillant 3a. Respectivement, les taillants 3b, 3c, 3d sont les deuxième, troisième et quatrième taillants de la lame 2a. Chaque taillant est désigné par deux indices :
- le premier indice n, variant de 1 à 4, correspond au numéro de la lame qui porte ledit taillant considéré,
- le second indice k, variant de 1 à 4, correspond à la position du taillant considéré sur la lame en partant du premier taillant,
Ainsi, le kième taillant de la nième lame sera dénommé le taillant T(n,k). Par exemple, le deuxième taillant 3b de la première lame 2a est dénommé le taillant T(1,2).
Chaque taillant a :
- une face, ci-après dénommée face d'attaque, prenant appui sur la roche,
- une arrête de coupe,
- un point de contact.
Dans le cas du taillant 3b, T(1,2), la face d'attaque porte la référence 3b1, l'arrête de coupe porte la référence 3b2 et le point de contact porte la référence 3b3. On va illustrer en se référant au taillant 3b, T(1,2), comment on construit le repère local (Xi, Yi, Zi) par rapport auquel la position du taillant 3b, T(1,2), est définie. L'axe Zi est situé dans le plan méridien passant par l'axe 4 et par le point de contact 3b3. L'axe Zi est incliné d'un angle βi par rapport à l'axe 4. L'axe Xi est porté par la perpendiculaire à l'axe Zi, située dans le plan méridien, passant par le point de contact 3b3. L'axe Yi, perpendiculaire à l'axe Zi et à l'axe Xi au point de contact 3b3, complète le repère orthonormé Xi, Yi, Zi ayant pour origine le point de contact 3b3. Les coordonnées de l'origine du repère orthonormé Xi, Yi, Zi dans le repère Xo, Yo, Zo sont Zi, ri, θi.
On reconnaît, sur la figure 2 qui représente une vue de dessous de l'outil de forage 1, la plupart des éléments décrits en se référant à la figure 1. Ils portent les mêmes références.
On va maintenant décrire, en se référant à la figure 3, la structure et la géométrie d'un taillant élémentaire (par exemple le taillant 3b). Le diamant de coupe 30 se présente sous la forme d'une plaquette sensiblement en quart de cercle.
On ne voit pas la forme en quart de cercle sur les figures 1, 2 et 5 car une partie du taillant se trouve à l'intérieur de la lame pour permettre sa fixation. On a représenté, pour le taillant 3c, la partie cachée en pointillé sur les figures 1, 2 et 5.
Le diamant de coupe 30 est solidarisé de manière connue en soi (notamment par brasage) avec un corps 31 en carbure de tungstène. On a représenté, sur la figure 4, la face d'attaque π1, référencée 3b1, l'arrête de coupe, référencée 3b2, le point de contact avec la roche, référencé 3b3. On a également représenté la position relative du plan de dépouille π2, référencé 32, et du plan de dépouille latéral π3, référencé 33, par rapport à la face d'attaque 3b1. Le plan de dépouille π2, 32, est sensiblement perpendiculaire à la face d'attaque 3b1 et sensiblement parallèle au plan (Xi, Yi). Le plan de dépouille latéral π3, 33, est sensiblement perpendiculaire à la face d'attaque 3b1 ainsi qu'au plan (Xi, Yi). Les notations α13, α12, α23, désignent respectivement les angles des dièdres (π1,π3), (π1,π2), et (π2,π3). On verra ci-après que ces angles ont, de préférence, des valeurs particulières comprises entre 80° et 120°.
On va maintenant décrire la figure 4 qui représente la position et l'orientation d'un taillant dans un repère local (Xi, Yi, Zi).
Dans la suite de la description, on appellera :
- angle de coupe ωc, l'angle d'inclinaison de la normale Ni à la face d'attaque 3b1 par rapport au plan Xi, Yi,
- angle de latéral ωs, l'angle de l'axe Yi avec la projection de la normale Ni à la face d'attaque 3b1 sur le plan Xi, Yi,
- angle de dégagement ωd, l'angle d'inclinaison de l'arrête de coupe 3b2 par rapport au plan Xi, Yi.
On verra ci-après que ces angles ont, de préférence, des valeurs particulières à savoir : l'angle de coupe ωc est compris entre 0° et 40°, l'angle de latéral ωs, est compris entre 30° et 80° et l'angle de dégagement ωd est compris entre 0° et 10°.
Pour générer une poussée dans la direction d'avancement de l'outil, on calcule les géométries, les positions et les orientations de tout ou partie desdits taillants en respectant les règles suivantes :
- le kième taillant de la dernière lame, T(N,k), creuse au (q-1)ième tour R(q-1) de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le (k+1)ième taillant de la première lame, T(1,k+1), au qième tour Rq de rotation de l'outil,
- le kième taillant de la nième lame, T(n,k), creuse au qième tour Rq de rotation de l'outil une saignée dans la roche en aval de celle réalisée par le kième taillant de la (n+1)ième lame, T(n+1,k), au qième tour Rq de rotation de l'outil,
- la normale à la face d'attaque du taillant a une composante selon l'axe de rotation orientée vers l'amont.
On va maintenant expliciter ces règles en se référant aux figures 5, 6, 7 et 8. On reconnaît sur la figure 5, qui représente une vue en perspective des interactions entre les taillants et la roche 51, les éléments décrits en se référant à la figure 1. Ils portent les mêmes références numériques. Dans la suite de la description, on désignera par PC (n,k) le point de contact du taillant T(n,k). On a matérialisé par des traits pointillés fléchés 50 les trajectoires orientées de certains points de contact.
On constate que le point de contact PC(4,4) du taillant T(4,4) vient creuser une saignée 51a dans la roche 51 en amont d'une saignée 51b précédemment creusée par un autre taillant.
De même, on constate que le point de contact PC(1,4) du taillant T(1,4) vient creuser une saignée 51c en amont d'une saignée 51d précédemment creusée par un autre taillant.
De même, on constate que le point de contact PC(2,3) du taillant T(2,3) va creuser une saignée 51e dans la roche 51 en amont de la saignée 51f qui sera creusée préalablement par le point de contact PC(1,3) du taillant T(1,3).
De même, on constate que le point de contact PC(2,1) du taillant T(2,1) va creuser une saignée 51i en amont de la saignée 51j qui sera creusée préalablement par le point de contact PC(1,1) du taillant T(1,1).
De même, on constate que le point de contact PC(2,2) du taillant T(2,2) va creuser une saignée 51g en amont de la saignée 51h qui sera creusée préalablement par le point de contact PC(1,2) du taillant T(1,2).
Sur le schéma de la figure 6, on a représenté, dans le cas d'un outil comportant quatre lames à deux taillants, la position et l'ordre de passage 61 des taillants dans un plan fixe passant par l'axe de l'outil. On constate, qu'au fur et à mesure de la rotation de l'outil, les saignées 60i sont effectuées dans la roche 60 par les taillants, en amont d'une saignée 60j préalablement effectuée par un autre taillant.
Sur la figure 7, on a représenté graphiquement, dans le cas d'un outil comportant quatre lames à deux taillants, la développée de la structure de coupe selon l'axe de pénétration (axe z) et l'ordre de passage 61 des taillants.
Sur la figure 8, on a représenté une vue schématique en perspective de l'interaction élémentaire entre un taillant T(n,k) et la roche 70. La face d'attaque 71 prend appui sur la roche dans le sens de déplacement 72 du taillant et creuse une saignée 73. L'outil de forage se déplace de l'amont vers l'aval dans le sens indiqué par la flèche 74. Les forces de réaction de la roche sur le taillant exercent une poussée dirigée dans le sens de la flèche 74.
On va maintenant décrire les étapes principales du calcul permettant de déterminer les géométries, les positions et les orientations desdits taillants permettant d'obtenir les processus de coupe qui viennent d'être décrits et la génération d'une poussée dirigée dans le sens d'avancement de l'outil de forage dans la roche.
- On choisit le pas d'avancement par tour de l'outil δcin.
- On choisit l'inclinaison latérale βcin du front de coupe au pas d'avancement δcin. Il est précisé que lorsque l'outil fore suivant son axe au pas d'avancement par tour δcin, les saignées creusées par les kièmes taillants de chaque lame au cours d'un même tour s'alignent suivant une droite inclinée à βcin par rapport au plan horizontal comme indiqué sur la figure 6.
- On choisit la hauteur h et la largeur d de la section rectangulaire de la saignée élémentaire réalisée par les taillants.
- On choisit l'angle de coupe ωc, l'angle latéral ωs et l'angle de dégagement ωd,
- On choisit l'inclinaison latérale βi des taillants de manière à assurer le non-talonnement du plan de dépouille π2. L'inclinaison latérale βi est l'inclinaison de l'axe Zi du repère du ième taillant par rapport à l'axe Zo comme indiqué sur la figure 1.
- On choisit le pas d'avancement δhel suivant Zo des lames de l'outil. L'ensemble des points de contacts des taillants d'une même lame se trouve sur une hélice enroulée autour de l'axe Z dans le sens inverse à la rotation dont le pas, noté δhel et constant pour toutes les lames, correspond au pas d'avancement des lames. Ce pas d'avancement 75 est illustré sur la figure 7.
- On choisit la position (r11, z11, θ11) du premier taillant de la première lame.
- On calcule la position relative des kièmes taillants de deux lames consécutives.
- On calcule la position relative de deux taillants consécutifs d'une même lame.
De préférence, des limites sont fixées aux paramètres suivants :
- L'angle de coupe ωc est inférieur ou égal à 30°.
- L'angle latéral ωs est supérieur ou égal à 60°.
- L'inclinaison latérale βcin du front de coupe est supérieure ou égale à 50°.
- L'inclinaison latérale des taillants βi est supérieure ou égale à l'inclinaison latérale βcin du front de coupe.
- La hauteur h de la section rectangulaire de la saignée est supérieure ou égale à 1 mm.
- La largeur d de la section rectangulaire de la saignée est inférieure ou égale à deux fois la hauteur h de la section rectangulaire de la saignée.
L'homme de métier disposant de ces explications est en mesure de déterminer par itérations successives les géométries, les positions et les orientations desdits taillants de manière à générer une poussée dirigée dans le sens d'avancement de l'outil de forage dans la roche.