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EP0944764B1 - Tete de forage - Google Patents

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Publication number
EP0944764B1
EP0944764B1 EP97949845A EP97949845A EP0944764B1 EP 0944764 B1 EP0944764 B1 EP 0944764B1 EP 97949845 A EP97949845 A EP 97949845A EP 97949845 A EP97949845 A EP 97949845A EP 0944764 B1 EP0944764 B1 EP 0944764B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
blades
drill bit
blade
bit according
cutting
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.)
Expired - Lifetime
Application number
EP97949845A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0944764A1 (fr
Inventor
Etienne Lamine
Robert Delwiche
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
Dresser Industries 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
Application filed by Dresser Industries Inc filed Critical Dresser Industries Inc
Publication of EP0944764A1 publication Critical patent/EP0944764A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0944764B1 publication Critical patent/EP0944764B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime 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
    • E21B10/46—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
    • 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

Definitions

  • Drill heads used to date can therefore be fitted with various types of cutting elements.
  • synthetic polycrystalline diamond or PDC Polycrystalline Diamond Compact or polycrystalline diamond tablet synthetic
  • natural or synthetic diamonds so-called impregnated, abrasive grains (grits in English) in general and so-called thermostable (synthetic) diamonds or abrasive grain agglomerates (grits) or bonded abrasive grains.
  • the present invention results from a study comparative advantages and disadvantages of the elements sharp according to their position on the head of drilling, in particular on the front face thereof. he appears for example that in the case of a head of drilling with only diamond particles impregnated in the front face, those on the axis of rotation or very close to it have a speed weak device during head rotation in drilling course. In addition, their depth of pass in training to drill is very low because these particles are small (0.6 to 1 mm maximum) and are mechanically crimped in the head by a binder, so that they usually only protrude 0.4 mm maximum of the crimp binder.
  • a weak peripheral rotation speed of the particles of diamond can also mean increased pressure on these: therefore a greater risk of bursting or to tear out the particles very close to the axis.
  • a drilling head with inserts of PDC is very advantageous on the spot, or very close to the axis of rotation because the carat value of diamond is sufficient, exposure of platelets cut projecting from the rest of the head y ensures depths of pass per revolution which are appreciable and these pads offer pressure aforementioned resistance greater than that of particles diamond.
  • Figure 1 is a schematic view, in section along line I-I of FIG. 2 and in elevation, of a drill head of the invention.
  • Figure 2 is a schematic view of the front face (depending on the direction of drilling) of the Figure 1 drilling.
  • Figure 3 is a schematic view in perspective and elevation of a wafer support and of its brochure which can be used in the drill head of the invention.
  • Figures 4 and 5, 6 and 7, 8 and 9 are each time schematic views respectively, of a part, in section and in elevation and, on the other hand, front of three different drill heads, the prior art, cited here by way of comparison to show the technical advantage of the head of the invention with respect to them.
  • Figure 10 is, on another scale, a view similar to that of Figure 2 but schematically and concerning a drilling head, certain blades of which have a constant width and others have a width variable, increasing from their end the closer to the axis of rotation.
  • the drilling head 1 of the invention can comprise a substantially cylindrical central body 2 and cutting blades 3 to 8, projecting from the body 2, both in front of it in a direction of drilling only on the sides of this same body 2. Elements cutting edges 9 are distributed over external surfaces frontal 10, considering the direction of drilling, and on lateral external surfaces 11 for calibrating the wells, for example petroleum, to be dug, blades 3 to 8 comprising these external surfaces 10, 11.
  • the surfaces lateral external 11 are part of a surface substantially cylindrical axis coinciding with the axis of drilling head rotation 1.
  • External surfaces front 10 and side 11 of each blade 3 to 8 preferably connect according to a progressive curvature.
  • the front surface outer 10 of at least one of the blades 3 to 8 ( Figures 1 and 2) it is arranged, as cutting elements 9, at the minus one cutting tablet 12 in diamond tablet synthetic polycrystalline (PDC) at the location of an area central 13 of said front external surface 10 and, in a remaining area 14 of this front surface 10, outside the central zone 13, synthetic diamonds thermostable and / or diamond particles impregnated, both on the blade 3 to 8 provided with cutting insert (s) 12 than on the other blades 3 to 8.
  • PDC diamond tablet synthetic polycrystalline
  • this drilling head The skilled person knows how to for the rest of this drilling head 1, by example by infiltration of molten metal into a matrix tungsten carbide powder placed in a mold carbon and fitted, before infiltration and where they are desired, diamond particles and / or thermostable synthetic diamonds. Then the or said cutting inserts 12 can be brazed to their places provided during molding and the matrix infiltrated and cooled can be fixed (figure 1) by screwing (in 15) and / or welding (in 16) to a metal body 17 carrying a thread 18 for connecting the head 1 to a rod train (not shown). Such brazing of cutting insert 12 can be achieved practically lastly, on head 1 finished, at low temperature silver brazing alloy of fusion.
  • each cutting insert 12 is fixed to a support 20, known per se, the shape of which can be changed as desired (see also figure 3), inserted in the corresponding slide, parallel to the axis of rotation, and being able be arranged so that the active face of each wafer 12 can be tilted at a cutting angle ("rake" in English), for example of the order of 30 °, by relative to a corresponding axial plane.
  • the inclination of this angle is then, according to FIGS. 2 and 3, oriented so that the front cutting edge 12A of each plate 12 (in a longitudinal direction of advance of tool 1) either backwards (depending on the direction of rotation R during drilling) relative to the rear cutting edge 12B of the same insert 12 in the drill head 1.
  • the supports 20 are advantageously made of tungsten carbonate.
  • Blades 3, 5 and 7 may not differ practically only by the number and location of cutting inserts 12. Blades 4, 6 and 8 can be similar to each other. Other arrangements of these blades 3 to 8 may also be preferred, like that of Figure 10 explained below.
  • a practically central passage 21 can be intended for drilling fluid, so that this opens out between the front external surfaces 10 and escapes, with debris caused by the drilling, by channels extending between the blades 3 to 8 and along the sides of the body 2.
  • Said remaining zone 14 can be itself divided into two substantially circular areas and coaxial 25, 26 with the central zone 13. Then a circular area 25 or 26 may have virtually no as thermostable synthetic diamonds while the other circular zone 26 or 25 may not include practically only impregnated diamond particles.
  • diamonds thermostable synthetics are arranged in the area circular 26 located directly around the area control unit 13.
  • an area intermediate located in a ring between the two circular zones 25 and 26, either equipped with part of impregnated diamond particles and part of thermostable synthetic diamonds.
  • Synthetic thermostable diamonds may have a circular and / or cubic shape and / or prismatic with preferably triangular cross-section.
  • the blades 3 to 8 preferably each have a substantially constant thickness over one. part significant of their frontal external surface 10 and on their lateral external surface 11.
  • the thicknesses of the different blades 3 to 8 can be equal.
  • blades 3 to 8 can extend in a straight line ( Figures 1 and 2) or helically (not shown).
  • the lateral external surfaces 11 of the blades 3 to 8, which belong to a substantially surface cylindrical, can present on the latter, in an embodiment a thickness which is of the order of at most half the circular distance between two successive blades 3 to 8, measured on this same substantially cylindrical surface.
  • the front external surface 10 of the blades 3 to 8 is arranged to determine, by the elements cutting 9, in the formation of the bottom of a well drilling (not shown) a tapered re-entrant surface in the drilling head 1 and preferably having a cone angle between 10 ° and 55 °, preferably of the order 45 °, relative to the axis of rotation of the head drilling 1.
  • central zones 13 and remaining 14 and / or 25, 26 may depend on training to drill. So, for very hard rocks, it seems advantageous to choose a small diameter for the area central 13 and enlarge it as the rocks are less harsh. For clay formations, the 12 PDC cutting inserts are better thanks to to their capacity to evacuate these materials: there are so less head 1 stuffing at these places pads 12.
  • the power applied to the drilling head 1 is indicated in the HP ("horse power") column of table 1 and this power per unit area is indicated in the HP / cm 2 column.
  • the drilling heads used for the comparison are shown diagrammatically in FIGS. 4 to 9. The head of FIGS.
  • FIGS. 8 and 9 comprises twelve narrow blades, identified by letters A, F and G according to their similarities and tracing a semi-toric groove on the using impregnated diamond particles while the center is hollowed out by thermostable synthetic diamonds located in an outlet of a drilling fluid passage.
  • the head of Figures 6 and 7 has twelve narrow blades, identified by the letters A, B, C, D and E according to their similarities and digging a cone of the order of 60 ° relative to the axis of rotation.
  • the head of FIGS. 8 and 9 comprises six thick blades, identified by letters A, B and C according to their similarities and digging a cone of the order of 45 ° relative to the axis of rotation.
  • the crown chosen for the comparison (and not shown) is equipped only with PDC cutting inserts, in a so-called soft binder, on its front face of attack.
  • the same rock was drilled or cored by these different tools during the comparative test.
  • the binder used for the drilling heads of FIGS. 4 to 9 is also of the so-called soft type.
  • the head 1 of the invention has a penetration speed (ROP) substantially higher than other drill heads usual.
  • blades 5 with projection in the shape of a truncated triangle 5A on the drawing plane can be inserted between blades 3, 4 whose width is practically constant over their entire outer surface.
  • the use of these blades 5A allows for example to reduce the interval between two successive blades 3, 4.
  • the invention may also include drilling heads where all the blades have a projection in the form of a truncated triangle like the blade 5A above.

Landscapes

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  • Geology (AREA)
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  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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Description

La présente invention concerne une tête de forage, telle qu'utilisée notamment dans le domaine d'un creusement de puits de pétrole, comportant
  • un corps central,
  • des lames de coupe en saillie par rapport au corps, tant en avant de celui-ci suivant un sens de forage que sur les côtés de ce même corps, et
  • des éléments coupants répartis sur une surface externe frontale et sur une surface externe latérale de calibrage du puits, les surfaces externes latérales des lames faisant partie d'une surface sensiblement cylindrique, et
dans laquelle, sur la surface externe frontale des lames, il est agencé en tant qu'éléments coupants :
  • dans une zone centrale de la surface externe frontale d'au moins une lame : au moins une plaquette de coupe en comprimé de diamant polycristallin synthétique, et
  • dans une zone restante de la surface externe frontale de cette lame, située autour de ladite zone centrale, et sur les autres lames : des diamants synthétiques thermostables et/ou des particules de diamant imprégnées.
On connaít par exemple par la EP-A-0 822 318 une tête de forage de ce genre. Cependant dans la tête qui y est décrite on trouve aussi dans ladite zone restante des plaquettes de coupe en comprimé de diamant polycristallin synthétique.
Des têtes de forage utilisées à ce jour peuvent donc être munies de divers types d'éléments coupants. Parmi ceux-ci on distingue en général les plaquettes de diamant polycristallin synthétique ou PDC (Polycristalline Diamond Compact ou comprimé de diamant polycristallin synthétique), les diamants naturels ou synthétiques dits imprégnés, les grains abrasifs (grits en anglais) en général et les diamants (synthétiques) dits thermostables ou agglomérats de grains abrasifs (grits) ou grains abrasifs agglomérés.
Chaque type d'élément coupant comporte bien sûr des avantages et des inconvénients, qui apparaissent entre autres en fonction de la position de l'élément coupant sur la tête de forage.
La présente invention résulte d'une étude comparative des avantages et inconvénients des éléments coupants en fonction de leur position sur la tête de forage, en particulier sur la face avant de celle-ci. Il apparaít par exemple que, dans le cas d'une tête de forage comportant uniquement des particules de diamant imprégnées dans la face avant, celles sur l'axe de rotation ou très proches de celui-ci ont une vitesse périphérique faible pendant la rotation de la tête en cours de forage. De plus, leur profondeur de passe dans une formation à forer est très faible car ces particules sont de faibles dimensions (0,6 à 1 mm maximum) et sont serties mécaniquement dans la tête par un liant, de sorte qu'elles ne dépassent généralement que de 0,4 mm maximum du liant de sertissage. En conséquence, la vitesse de pénétration (ROP = rate of penetration en m/heure) est très faible au moins à cause des particules sur ou très proches de l'axe de rotation. Une faible vitesse de rotation périphérique des particules de diamant peut signifier également une pression accrue sur celles-ci : donc un risque plus grand de faire éclater ou d'arracher les particules très proches de l'axe.
Cependant à distance de l'axe, grâce aux particules imprégnées on obtient une valeur en carats de diamant très élevée par rapport à ce que l'on pourrait obtenir dans une configuration de tête de forage à plaquettes de PDC.
Par contre, une tête de forage à plaquettes de PDC se montre très avantageuse à l'endroit, ou très près, de l'axe de rotation car la valeur en carats de diamant y est suffisante, l'exposition des plaquettes de coupe en saillie par rapport au reste de la tête y assure des profondeurs de passe par tour qui sont appréciables et ces plaquettes offrent à la pression précitée une résistance supérieure à celle des particules de diamant.
Ainsi, d'un examen minutieux du comportement des divers éléments de coupe en divers endroits sur la face avant des têtes de forage, il est ressorti la présente invention suivant laquelle, sur la surface externe frontale des lames, ladite zone restante est divisée en deux zones sensiblement circulaires et coaxiales avec ladite zone centrale et, comme élément de coupe, une des zones circulaires comporte des diamants synthétiques thermostables tandis que l'autre zone circulaire comporté des particules de diamant imprégnées.
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, une forme de réalisation préférée de l'invention.
La figure 1 est une vue schématisée, en coupe suivant la ligne I-I de la figure 2 et en élévation, d'une tête de forage de l'invention.
La figure 2 est une vue schématisée de la face avant (suivant le sens de forage) de la tête de forage de la figure 1.
La figure 3 est une vue schématique en perspective et en élévation d'un support de plaquette et de sa plaquette qui peuvent être mis en oeuvre dans la tête de forage de l'invention.
Les figures 4 et 5, 6 et 7, 8 et 9 sont chaque fois des vues schématiques respectivement, d'une part, en coupe et en élévation et, d'autre part, de la face avant de trois têtes de forage différentes, de l'état antérieur de la technique, citées ici à titre de comparaison pour montrer l'avantage technique de la tête de forage de l'invention par rapport à elles.
La figure 10 est, à une autre échelle, une vue semblable à celle de la figure 2 mais schématisée et concernant une tête de forage dont certaines lames ont une largeur constante et d'autres ont une largeur variable, s'accroissant à partir de leur extrémité la plus proche de l'axe de rotation.
Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
La tête de forage 1 de l'invention peut comprendre un corps central 2 sensiblement cylindrique et des lames de coupe 3 à 8, en saillie par rapport au corps 2, tant en avant de celui-ci suivant un sens de forage que sur les côtés de ce même corps 2. Des éléments coupants 9 sont répartis sur des surfaces externes frontales 10, en considérant le sens du forage, et sur des surfaces externes latérales 11 de calibrage du puits, par exemple pétrolier, à creuser, les lames 3 à 8 comportant ces surfaces externes 10, 11. Les surfaces externes latérales 11 font parties d'une surface sensiblement cylindrique d'axe coïncidant avec l'axe de rotation de la tête de forage 1. Les surfaces externes frontales 10 et latérales 11 de chaque lame 3 à 8 se raccordent de préférence suivant une courbure progressive.
Suivant l'invention, sur la surface frontale externe 10 d'au moins une des lames 3 à 8 (figures 1 et 2) il est agencé, en tant qu'éléments coupants 9, au moins une plaquette de coupe 12 en comprimé de diamant polycristallin synthétique (PDC) à l'endroit d'une zone centrale 13 de ladite surface externe frontale 10 et, dans une zone restante 14 de cette surface frontale 10, en dehors de la zone centrale 13, des diamants synthétiques thermostables et/ou des particules de diamant imprégnées, aussi bien sur la lame 3 à 8 munie de plaquette(s) de coupe 12 que sur les autres lames 3 à 8.
L'homme de métier connaít la façon de réaliser pour le reste cette tête de forage 1, par exemple par infiltration de métal fondu dans une matrice de poudre de carbure de tungstène placée dans un moule en carbone et munie, avant infiltration et là où ils/elles sont souhaité(e)s, de particules de diamant et/ou des diamants synthétiques thermostables. Ensuite, la ou lesdites plaquettes de coupe 12 peuvent être brasées à leurs places prévues lors du moulage et la matrice infiltrée et refroidie peut être fixée (figure 1) par vissage (en 15) et/ou soudage (en 16) à un corps métallique 17 portant un filet 18 pour le raccordement de la tête 1 à un train de tige (non représenté). Un tel brasage de plaquette de coupe 12 peut être réalisé pratiquement en dernier lieu, sur la tête 1 terminée, au moyen d'un alliage de brasage à l'argent à basse température de fusion.
Dans le cas de l'exemple des figures 1 et 2, il a été choisi de positionner sur la lame 3 (figure 2) deux plaquettes de coupe 12 portant les références A et D, sur la lame 5 une plaquette de coupe 12 portant la référence C et sur la lame 7 une plaquette de coupe 12 portant la référence B. Les plaquettes de coupe 12 (A, B, C et D) sont projetées (figure 1), par rotation autour de l'axe de rotation, dans un même plan axial afin de montrer la position respective de leurs sillons en cours de forage. Les lames 4, 6 et 8 ne portent pas de plaquettes de coupe 12.
Tel que cela est schématisé à la figure 2, chaque plaquette de coupe 12 est fixée à un support 20, connu en soi, dont la forme peut être modifiée à souhait (voir aussi la figure 3), fiché dans la lame correspondante, parallèlement à l'axe de rotation, et pouvant être agencé pour que la face active de chaque plaquette de coupe 12 puisse être inclinée d'un angle de coupe ("rake" en anglais), par exemple de l'ordre de 30°, par rapport à un plan axial correspondant. L'inclinaison de cet angle est alors, selon les figure 2 et 3, orientée pour que le bord de coupe antérieur 12A de chaque plaquette 12 (suivant un sens longitudinal d'avance de l'outil 1) soit en arrière (selon le sens de rotation R en cours de forage) par rapport au bord de coupe postérieur 12B de la même plaquette 12 dans la tête de forage 1. Les supports 20 sont avantageusement réalisés en carbure de tungstène.
Pour la clarté des dessins, les particules de diamant imprégnées et/ou les diamants synthétiques thermostables ou autres encore ne sont pas représentés à la figure 1. Ils sont représentés schématiquement à la figure 2, sur la lame 4 uniquement, sous la forme de triangles.
Les lames 3, 5 et 7 peuvent ne différer pratiquement que par le nombre et l'emplacement des plaquettes de coupe 12. Les lames 4, 6 et 8 peuvent être semblables l'une à l'autre. D'autres agencements de ces lames 3 à 8 peuvent également être préférés, comme celui de la figure 10 expliquée ci-dessous.
Un passage 21 pratiquement central peut être prévu pour du liquide de forage, de façon à ce que celui-ci débouche entre les surfaces externes frontales 10 et s'échappe, avec les débris provoqués par le forage, par des canaux s'étendant entre les lames 3 à 8 et le long des côtés du corps 2.
Ladite zone restante 14 (figure 1) peut être elle-même divisée en deux zones sensiblement circulaires et coaxiales 25, 26 avec la zone centrale 13. Alors une zone circulaire 25 ou 26 peut ne comporter pratiquement que des diamants synthétiques thermostables tandis que l'autre zone circulaire 26 ou 25 peut ne comporter pratiquement que des particules de diamant imprégnées.
Il peut être préféré que les diamants synthétiques thermostables soient disposés dans la zone circulaire 26 située directement autour de la zone centrale 13.
Il peut être souhaité également qu'une zone intermédiaire (non représentée), située en anneau entre les deux zones circulaires 25 et 26, soit équipée en partie de particules de diamant imprégnées et en partie de diamants synthétiques thermostables.
Les diamants synthétiques thermostables peuvent avoir une forme circulaire et/ou cubique et/ou prismatique à section transversale de préférence triangulaire.
Au moins une des plaquettes de coupe 12 peut être composée de plusieurs couches, à savoir par exemple :
  • une couche 27 d'attaque de la formation à forer, en comprimé de diamant polycristallin synthétique,
  • portant cette couche d'attaque 27, une couche intermédiaire 28 en carbure de tungstène, et
  • portant cette couche intermédiaire 28 et portée par le support 20, une couche 29 en carbure de tungstène combiné à des particules de diamant.
Les lames 3 à 8 ont de préférence chacune une épaisseur sensiblement constante sur une. partie importante de leur surface externe frontale 10 et sur leur surface externe latérale 11. Les épaisseurs des différentes lames 3 à 8 peuvent être égales. Il peut y avoir par exemple six lames 3 à 8 sur un corps 2 de tête de forage 1. Le long de la surface cylindrique du corps 2, les lames 3 à 8 peuvent s'étendre de façon rectiligne (figures 1 et 2) ou de façon hélicoïdale (non représentée).
Les surfaces externes latérales 11 des lames 3 à 8, qui appartiennent à une surface sensiblement cylindrique, peuvent présenter sur cette dernière, dans une forme de réalisation une épaisseur qui est de l'ordre d'au plus la moitié de la distance circulaire entre deux lames 3 à 8 successives, mesurée sur cette même surface sensiblement cylindrique.
La surface externe frontale 10 des lames 3 à 8 est agencée pour déterminer, par les éléments coupants 9, dans la formation du fond d'un puits de forage (non représenté) une surface conique rentrant dans la tête de forage 1 et présentant de préférence un angle de cône entre 10° et 55°, de préférence de l'ordre de 45°, par rapport à l'axe de rotation de la tête de forage 1.
La sélection des zones centrale 13 et restante 14 et/ou 25, 26 peut dépendre des formations à forer. Ainsi, pour des roches très dures, il paraít avantageux de choisir un petit diamètre pour la zone centrale 13 et de l'agrandir à mesure que les roches sont moins dures. Pour des formations argileuses, les plaquettes de coupe 12 en PDC s'avèrent meilleures grâce à leur capacité d'évacuation de ces matières : il y a donc moins de bourrage de la tête 1 aux endroits de ces plaquettes 12.
L'utilisation combinée suivant l'invention de plaquettes de coupe 12 en PDC et de particules de diamant imprégnées et/ou de diamants synthétiques thermostables permet de plus de moduler la densité en carats de diamant selon les zones 13 et 14 et/ou 25, 26. A titre d'exemple, pour une tête de forage usuelle à plaquettes 12 en PDC uniquement, d'un diamètre nominal de 8 1/2" (environ 216 mm) dans laquelle il y a 60 à 80 plaquettes d'environ 3 carats chacune, on a une valeur totale de 200 à 250 carats investis dans cette tête. Dans une tête usuelle équivalente en taille mais à particules de diamant naturel ou synthétique imprégnées, on a une valeur totale de 1000 à 1200 carats investis. Bien sûr cette dernière tête est usuellement utilisée pour des formations nettement plus dures et abrasives que la tête de forage à plaquettes 12 et il y a en conséquence une consommation plus élevée en diamant que dans le cas de cette dernière tête.
Un tableau 1 ci-joint montre à titre de comparaison le taux de pénétration (ROP = rate of penetration, en mètres par heure) de différentes têtes de forage usuelles et de celle 1 de l'invention, ainsi que le taux de pénétration d'une couronne de carottage. Ces têtes et couronnes sont de tailles comparables en ce qui concerne leur surface frontale attaquant la formation au devant d'elles. Elles sont soumises à une charge à fond de trou d'un même ordre de grandeur (WOB = weight on bit, de l'ordre de 40,5 à 46,6 kg/cm2). La puissance appliquée sur la tête de forage 1 est indiquée dans la colonne HP ("horse power") du tableau 1 et cette puissance par unité de surface y est indiquée dans la colonne HP/cm2. Les têtes de forage utilisées pour la comparaison sont schématisées dans les figures 4 à 9. La tête des figures 4 et 5 comporte douze lames étroites, repérées par des lettres A, F et G selon leur similitudes et traçant une gorge semi-torique à l'aide de particules de diamant imprégnées tandis que le centre est creusé par des diamants synthétiques thermostables situés dans une sortie d'un passage de liquide de forage. La tête des figures 6 et 7 comporte douze lames étroites, repérées par des lettres A, B, C, D et E selon leurs similitudes et creusant un cône de l'ordre de 60° par rapport à l'axe de rotation. La tête des figures 8 et 9 comporte six lames épaisses, repérées par des lettres A, B et C selon leurs similitudes et creusant un cône de l'ordre de 45° par rapport à l'axe de rotation. La couronne choisie pour la comparaison (et non représentée) est équipée uniquement de plaquettes de coupe en PDC, dans un liant dit tendre, sur sa face frontale d'attaque. La même roche a été forée ou carottée par ces différents outils au cours de l'essai comparatif. Le liant utilisé pour les têtes de forage des figures 4 à 9 est également du type dit tendre.
Il ressort du tableau 1 que la tête 1 de l'invention a une vitesse de pénétration (ROP) sensiblement supérieure à celles des autres têtes de forage usuelles.
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, comme le montre la figure 10, des lames 5 à projection en forme de triangle tronqué 5A sur le plan du dessin peuvent être intercalées entre des lames 3, 4 dont la largeur est pratiquement constante sur toute leur surface externe. L'utilisation de ces lames 5A permet par exemple de réduire l'intervalle entre deux lames 3, 4 successives.
Il va de soi, au vu de ce qui précède, que l'invention peut comprendre également des têtes de forage où toutes les lames présentent une projection en forme de triangle tronqué comme la lame 5A ci-dessus.
Figure 00120001

Claims (10)

  1. Tête de forage, telle qu'utilisée notamment dans le domaine d'un creusement de puits de pétrole, comportant
    un corps central (2),
    des lames de coupe (3 à 8) en saillie par rapport au corps (2), tant en avant de celui-ci suivant un sens de forage que sur les côtés de ce même corps (2), et
    des éléments coupants (9) répartis sur une surface externe frontale (10) et sur une surface externe latérale (11) de calibrage du puits que comportent chaque lame (3 à 8), les surfaces externes latérales des lames (3 à 8) faisant partie d'une surface sensiblement cylindrique, et
    dans laquelle, sur la surface externe frontale (10) des lames (3 à 8), il est agencé en tant qu'éléments coupants :
    dans une zone centrale (13) de la surface externe frontale (10), sur au moins une lame (3 à 8) : au moins une plaquette de coupe (12) en comprimé de diamant polycristallin synthétique, et
    dans une zone restante (14) de la surface externe frontale (10) de cette lame, située au-delà de ladite zone centrale (13) par rapport à l'axe de rotation de la tête (1), et sur les autres lames : des diamants synthétiques thermostables et/ou des particules de diamant imprégnées,
    caractérisés en ce que ladite zone restante (14) est divisée en deux zones (25, 26) sensiblement circulaires et coaxiales avec ladite zone centrale (13) et en ce que, comme élément de coupe (9), une des zones circulaires (25 ou 26) comporte des diamants synthétiques thermostables tandis que l'autre zone circulaire (26 ou respectivement 25) comporte des particules de diamant imprégnées.
  2. Téte de forage suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les diamants synthétiques thermostables sont situés dans la zone circulaire (26) située directement autour de la zone centrale (13).
  3. Tête de forage suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisés en ce que les diamants synthétiques thermostables ont une forme circulaire et/ou cubique et/ou prismatique à section transversale de préférence triangulaire.
  4. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les plaquettes (12) en comprimé de diamant polycristallin synthétique sont portées par des supports d'orientation (20) en carbure de tungstène.
  5. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'au moins une plaquette (12) précitée est un élément à plusieurs couches dont l'une (27), en avant de la plaquette (12) suivant le sens de rotation en cours de carottage, est en comprimé de diamant polycristallin synthétique (PDC) proprement dit, une suivante (28) est en carbure de tungstène et une dernière (29) est en carbure de tungstène combiné à des particules de diamant.
  6. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins une des lames (3 à 8) présente une épaisseur sensiblement constante sur une partie importante de sa surface externe frontale (10) et sur sa surface externe latérale (11), en ce qu'avantageusement toutes les lames (3 à 8) ont sensiblement la même épaisseur et en ce qu'il y a de préférence six lames (3 à 8) autour du corps (2).
  7. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que sur la surface sensiblement cylindrique précitée, chaque lame (3 à 8) a une épaisseur de l'ordre d'au plus la moitié de la distance circulaire entre deux lames (3 à 8) successives.
  8. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'au moins une lame (5A) présente, vue en projection dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la tête de forage (1) une forme de triangle tronqué pointant vers cet axe.
  9. Tête de forage suivant la revendication 8, caractérisée en ce que chaque fois une lame (5A) à projection en triangle tronqué est prévue entre deux lames (3, 4) à épaisseur sensiblement constante sur leurs surfaces externes frontales (10) et latérales (11).
  10. Tête de forage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la surface externe frontale (10) des lames (3 à 8) est agencée pour déterminer au fond d'un puits de forage une surface conique rentrant dans la tête de forage (1) et présentant un angle de cône compris entre 10° et 55° et de préférence de l'ordre de 45° par rapport à l'axe de rotation de la tête de forage (1).
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