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Outil de broyage pour l'enlèvement de matériel d'un environnement Souterrain.
La présente invention se rapporte à un nouvel outil de broyage qui est utilisé pour enlever divers materiels dans un environnement souterrain. Cette invention se rapporte en particulier ä un outil de broyage pour l'enlèvement du tubage, des colliers, d'une tige de forage, du ciment, d'outils coinces et autres articles semblables. En utilisation, l'outil de broyage réduit 1'article souterrain en petits morceaux et copeaux qui sont enlevés par un fluide de forage.
11 y a une nécessité speciale, dans l'industrie du pétrole et du gaz, pour des outils permettant d'enlever le tubage dans un puits de pétrole et de gaz, les colliers de forage, les tiges de forage et les outils coinces. Tout cela est accompli de la surface au moyen d'un outil ä l'extremiste d'un train de tiges. Le train de tiges peut avoir de 30 ä 300 metres de long. Typiquement, la zone de travail dans un puits est ä environ 0, 9 ä 3, 0 km ou plus en-dessous de la surface. Dans diverses opérations à ce point sous la surface, une portion du tubage ou du puits peut devoir être enlevée de manière que le forage puisse être entrepris dans une direction différente ou bien une masse-tige peut devoir être enlevée.
L'enlèvement du tubage a pour raison de permettre le forage d'un puits supplémentaire ä partir du puits principal..
Un autre usage des outils de broyage consiste A enlever un outil coincé dans le puits. Ce dernier usage consiste ä détruire l'outil en le broyant par l'intermediaire de l'outil dans le trou. Cela ouvre alors le trou de maniere que le forage puisse recommencer. 11 y a d'autres usages auxquels ces outils de broyage peuvent entre soumis.
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Des outils de broyage ont été utilises depuis de nombreuses années pour des operations en sous-sol. Un grand nombre de ces outils ont une section pilote ou guide inferieureet une section superieure de coupe. On les appelle broyeurs pilotes, broyeurs ä tige de forage, broyeurs ä masse-tige et broyeurs ä rebuts. 11 y a d'autres outils de broyage qui sont utilises dans des operations souterraines.
Ils comprennent des broyeurs de demarrage, des broyeurs fendtre, des broyeurs à train, des broyeurs en melon d'eau, des broyeurs effiles et des broyeurs en section. Chacun de ces broyeurs est utilise dans un but différent. Cependant, ces broyeurs ont tous un point commun qui est d'enlever du materieel ou un article d'un trou de sondage. De même. chacun de ces broyeurs accomplit cela de la meme manière en réduisant 1'article en copeaux et petits eclats.
Les divers broyeurs en utilisation ont différents types de lames de coupe. Certaines lames de coupe sont linéaires et longitudinalement orientées sur le corps de 1'outil. Dans d'autres outils, les lames de coupe sont à un certain angle par rapport a l'axe longitudinal de l'outil de broyage. Et sur d'autres outils encore, les lames de coupe sont en forme de spirale sur le corps de l'outil. La presente invention expose un perfectionnement ä chacun de ces outils.
Cette invention est dirigee vers un outil de broyage ou les
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lames de coupe. ont une inclinaison axiale negative mais une inclinaison radiale negative essentiellement constante.
L'inclinaison axiale est l'angle de divergence d'une lame de coupe par rapport ä une ligne parallele a l'axe longitudinal de l'outil. L'inclinaison radiale est l'angle de divergence entre la lame de coupe et le plan passant par l'axe longitudinal de l'outil et le bord radialement interne de la lame de coupe. Les figures 7 et 9 qui seront décrites ulterieurement donnent une explication détaillée de l'inclinaison axiale et de l'inclinaison radiale. Une inclinaison axiale negative signifie que la lame de coupe est oblique dans la
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direction de la rotation de l'outil. Une inclinaison radiale négative est le changement en degrés radiaux dans la direction de rotation de l'outil.
Pour cette raison, une lame de coupe qui est sur l'axe longitudinal du corps de l'outil sur toute sa longueur n'aur4 pas une inclinaison axiale négative ou une inclinaison radiale négative.
L'inclinaison axiale d'une lame de coupe est établie ä un angle negatief pour donner une meilleure coupe. Cet angle négatif est usuellement d'environ 2 a 10 degrés. Si la lame de coupe est lineaire, l'inclinaison radiale negative sera alors comprise entre 0 degré ä l'extremity inférieure de la lame de coupe et 30 degrés ou plus à l'extrémité supérieure de la lame de coupe. Elle varie sur toute la lame de coupe.
C'est uniquement ä une inclinaison axiale negative etablie et ä une inclinaison radiale négative établie sensiblement constante que l'outil donnera la coupe optimale sur toute la longueur de la lame de coupe. En general, l'inclinaison radiale négative doit etre un angle sensiblement constant compris entre environ 0 degré et 30 degrés. Cela permet une coupe optimale dans différentes positions sur toute la
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longueur de la lame de coupe. Pour une lame de coupe ou l'inclinaison radiale negative dépasse 30 degres ou plus, il y a un mauvais broyage.
L'utilisation d'inserts en carbure de tungstene de configuration uniforme, sur les surfaces avant des lames de coupe. fait egalement partie de l'invention. De preference, les inserts en carbure de tungsten sont de forme cylindrique, ayant un diamètre d'au moins environ ,17 mm et une épaisseur d'au moins environ 4, 75 mm. Ces inserts sont brasés sur les lames de coupe en formation très serrée. De meme, il est préférable que sur des lames adjacentes de coupe, les inserts soient verticalement décalés d'au moins environ 1, 59 mm à 6,35 mm. L'objectif est d'avoir une partie. jifferente d'un insert qui effectue la coupe sur des lames adjacentes
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de coupe.
Cela est preferable car une coupe optimale est dans la première moitit d'un insert. 11 est également preferable que les inserts en carbure de tungstene soient places sur la lame de coupe de manière que lorsqu'elle est
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montee, il y ait un angle d'avance d'environ 0 à 10 degres.
De plus, le carbure de tungstène doit être en un matériau d'une qualité de coupe plutôt que d'une qualité d'usure.
En conséquence, la presente invention offre un outil de broyage pour enlever un matériel d'un emplacement souterrain comprenant un corps d'outil cylindrique, un passage longitudinal à travers ledit corps d'outil, un moyen ä une extrémité pour connexion un moyen d'entralnement, et un certain nombre de lames de coupe ayant des inserts de coupe, qui sont attachees à la surface dudit corps d'outil, lesdites lames de coupe ayant une inclinaison axiale négative de 1 ä 10 degrés et une inclinaison radiale négative sensiblement constante. Les lames de coupe peuvent etre linéaires, en spirale, ou toute autre forme. Les inserts de coupe peuvent être cylindriques et peuvent être formes en carbure de tungstène de qualité de coupe.
Ces inserts peuvent être brasés sur le corps de l'outil et sont de preference verticalement décales dans chaque lame de coupe adjacente et, de plus. les inserts de coupe doivent avoir un angle d'avance de 0 ä 10 degrés lorsque la lame de coupe est attachee au corps de l'outil. De cette maniere, la lame de coupe est en une position optimale de broyage sur toute sa longueur et les inserts en carbure de tungstene sont dans des positions sur les lames de coupe de manière qu'au moins certains des inserts soient toujours ä leur mode optimal de coupe.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, details et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en reference aux dessins
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schématiques annexes donnes uniquement titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe transversale de l'outil de broyage coupant un tubage en un emplacement souterrain;
La figure 2 est une vue en perspective d'un outil de broyage ayant des lames de coupe en spirale ;
La figure 3 est une vue en perspective de la portion de lame de coupe de l'outil de broyage de la figure 2 :
La figure 4 est une vue en coupe transversale des lames de coupe de la figure 3;
La figure 5 est une vue détaillée des lames de coupe de la figure 4 ;
La figure 6 est une vue en perspective de la partie pilote d'un outil ;
La figure 7 est un schéma qui decrit une inclinaison axiale negative ;
La figure 8 est un schéma qui decrit un angle d'avance ;
La figure 9 est un schéma qui decrit une inclinaison radiale négative :
La figure 10 est une vue en elevation montrant le changement dtinclinaison radiale negative pour une lame de coupe droite ayant une inclinaison axiale negative de 5 degrés ;
La figure 11 est un schéma de l'outil de la figure 10 ;
La figure 12 est une vue en elevation montrant le changement d'inclinaison radiale negative pour une lame de coupe en spirale ayant une inclinaison axiale negative de 5 degres ;
La figure 13 est un schéma de l'outil de la figure 12 :
La figure 14 est une vue en elevation avant d'une lame de coupe coupant un tubage à un angle d'avance de 0 degré;
La figure 15 est une vue en elevation latérale des inserts en carbure d'une lame de coupe ;
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La figure 16 est une vue en élévation avant d'une lame de coupe coupant un tubage ä un angle d'avance négatif ;
La figure 17 est une vue en coupe d'une lame de coupe lineaire avec des inserts placés a un angle donné d'avance ; et
La figure 18 est une vue en coupe de la lame de coupe de la figure 17.
L'invention sera maintenant décrite en plus de detail en se référant plus particulièrement aux dessins. La figure 1 montre un outil 20 enlevant un tubage interne 23 d'un puits de gaz et de petrole. Un tubage externe 22 est egalement montre, qui est entouré par la terre 21. Tandis que l'outil tourne avec une force désignée vers le bas sur l'outil, les bras de coupe 26 de 1'outiL broient le tubage 23 vers le bas.
La surface inferieure de chaque lame de coupe coupe le tubage, les lames s'usant vers le haut. La partie inférieure de l'outil 20 contient une section pilote 25. Des guides 27 sont également prevus du cOte de la partie inferieure de l'outil pour stabiliser celui-ci dans le trou. Au centre de l'outil est prévue une gorge 24 par laquelle le fluide de
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forage s'écoule, vers le bas, a partir de la surface.
La figure 2 montre un mode de réalisation du present outil avec des lames de coupe 26 en spirale. La spirale est formée à un angle oü l'inclinaison axiale negative est d'environ 1 à 15 degrés et de preference d'environ 3 à 10 degres. L'inclinaison radiale negative est constante sur toute la longueur de la lame de coupe b un angle négatif de 0 ä 30 degres. De preference, l'inclinaison radiale negative est constante à environ 5 à 15 degres.
La portion superieure de l'outil se compose de la section 28 et de la pièce filetee 29. La pièce filetée 29
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relie l'outil au train de tiges qui s'etend, vers le bas, partir de la surface. Le fluide de forage descend de la surface ä l'outil par le train de tiges.
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La figure 3 montre la section de lame de coupe de l'outil en plus de détai1sChacune de ces lames de coupe a des inserts de coupe 30 à la surface avant de la lame. La
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surface avant ou menante est 1a surface de la lame dans la direction de rotation de l'outil. Les inserts de coupe sont de preference en carbure de tungstene de qualité de coupe.
Ces inserts ont un diamètre d'au moins environ 6, 35 mm et de preference d'au moins environ 9, 52 mm. L'épaisseur de chaque insert est d'au moins environ 3, 17mm et de preference d'environ 5, 33 mm. Ils sont tassés en un motif pour rendre maximal le nombre d'inserts et pour diminuer les vides. Les inserts peuvent être du meme diametreou de différents diametres. Cependant, ils doivent être de la même épaisseur.
Ces inserts sont brasés sur une piece d'acier d'une épaisseur d'au moins environ 9, 52 mm et de préférence d'au moins. environ 15, 9 mm. Cet acier est d'une qualite qui s'usera assez facilement lors d'une coupe d'un tubage. L'intention
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est que la coupe soit effectuee par les inserts de coupe et non pas par le support d'acier des inserts.
La figure 4 donne une vue en section transversale de l'outil montrant les lames de coupe en detail. Sur cette figure, chaque lame de coupe 26 se compose du support d'acier 31 qui porte les inserts 30. Une fente ä gorge 32 dans l'outil reçoit chacune des lames de coupe. Cependant, une fente ä gorge pour chaque lame de coupe n'est pas necessaire. Les lames de coupe peuvent etre soud6es directement à la surface extérieure de l'outil.
La figure 5 montre en plus de detail la connexion de chaque lame de coupe. Cela montre le tubage 23 qui est coup6 par les inserts sur les lames 26 qui sont attachees au corps 20 par un matériau de soudage 33. Ces lames de coupe sont montrees dans des fentes à gorge. Cette vue montre egalement les inserts verticalement decales sur des lames adjacentes de coupe. Les inserts de coupe sont décalés d'environ 1, 59 mm ä 6, 35 mm. Les inserts 30 (a), 30 (b), 30 (c) et 30 (d) sur la
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lame de coupe 26 (a) sont décalés des inserts similaires sur la lame de coupe 26 {b). La figure 6 montre la portion pilote inférieure de l'outil. Les guides sont illustres lä en spirale.
Cependant, ils peuvent être droits sur l'axe longitudinal de l'outil ou placés ä une inclinaison axiale positive ou negative. Ces guides peuvent également avoir des inserts de carbure de tungstène de qualite usure sur la surface externe. Ce sont usuellement de petits disques qui sont attaches ä fleur avec la lame, par brasage.
La figure 7 décrit ce qui est connu comme une inclinaison axiale negative. L'angle 36 est l'inclinaison axiale negative. Une inclinaison axiale est l'endroit oü la lame de coupe n'est pas exialement orientée avec l'axe longitudinal de l'outil. Une inclinaison axiale negative est lä ou la lame de coupe est en angle dans la direction de la rotation de l'outil. Une inclinaison axiale positive est là où la lame de coupe est en angle oppose la direction de rotation de l'outil. Sur la figure 7, la ligne 35 designe l'axe longitudinal central de l'outil. La ligne 37 est une ligne au pourtour de la lame de coupe de l'outil et parallele à l'axe central 35. La ligne 38 designe l'axe horizontal de
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l'outil.
L'angle 36 est l'angle entre la lame de coupe 26 et l'axe central 35 de l'outil 20 montré ici comme étant l'angle entre la lame de coupe étendue et la ligne 37. C'est une inclinaison axiale negative car la lame de coupe est en angle dans la direction de la rotation de l'outil comme cela est designe par la fleche. Une inclinaison axiale négative permet une meilleure coupe du metal ou autre matériau.
La figure 8 décrit ce que signifie l'angle d'avanceL'angle d'avance 39 est l'angle dont la lame de coupe 26 est decalee par rapport à l'axe horizontal 38. Une lame de coupe où la surface inférieure de la lame de coupe est sur l'axe horizontal 38 ä travers toute cette surface inferieure, aura un angle. d'avance de 0 degré. L'angle d'avance d'une lame de coupe coupant un tubage est montre en plus de detail ä la
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figure 16. En principe, tandis que l'angle d'avance d'une lame de coupe augmente, le tubage est coupé à un angle plus aigu.
La figure 9 décrit ce que signifie l'inclinaison radiale negative. Une inclinaison radiale est l'angle de divergence entre la surface de coupe et le plan passant par l'axe longitudinal de l'outil et le bord radialement interne de la lame de coupe. Une lame de coupe droite qui a une inclinaison axiale de 0 degrd aura une inclinaison radiale constante. Un déplacement de l'angle radial dans la direction de rotation de l'outil est une inclinaison radiale negative tandis qu'un dêplacement en direction opposee est une inclinaison radiale positive. Lorsqu'une lame droite de coupe est attachee Åa un outil ayant une inclinaison axiale negative, elle a une inclinaison radiale negative.
Et de même, si une lame de coupe est attachee a l'outil avec une inclinaison axiale positive, elle a une inclinaison radiale positive. Le degré de l'inclinaison radiale dépendra du
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diametre de l'outil et de la longueur de la lame de coupe.
Tandis que la longueur de la lame de coupe augmente, l'inclinaison radiale pour une inclinaison axiale spécifique augmente.
La figure 9 montre l'angle d'inclinaison radiale negative 40 (a) pour une lame droite ayant une inclinaison axiale negative. 11 est necessaire. pour une bonne coupe, qu'une lame de coupe ait une inclinaison radiale constante pour une inclinaison axiale negative établie. Une lame de coupe en spirale ou une lame de coupe droite comme sur les figures 17 et 18 avec des inserts de coupe en angle donnera une inclinaison radiale sensiblement constante pour une inclinaison axiale negative donnee.
Les figures 10 et 11 illustrent de plus le changement de l'inclinaison radiale negative 40 (a) pour une lame de coupe droite ayant une inclinaison axiale negative de 5 degres.
Pour la simplicite, la lame de coupe aura une angle d'avance
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de 0 degre. L'angle de déplacement de la lame de coupe est désigné en 40. L'angle d'inclinaison radiale négative variera avec le diametre externe du corps de l'outil. Par exemple, un outil d'un diamétre externe de 20, 3 cm avec une longueur de lame de 30, 5 cm varie d'une inclinaison radiale negative de 0 degre en 41 ä l'inclinaison radiale maximale de plus de 20 degres en 42, l'extremite supérieure de la lame de coupe.
Au contraire, les figures 12 et 13 montrent l'utilisation d'une lame en spirale. La lame en spirale a une inclinaison axiale négative de 5 degrés. Pour la simplicité de nouveau, il y a un angle d'avance de 0 degré. L'inclinaison radiale negative est dans ce cas un angle constant de 0 degre. Afin d'avoir une coupe maximale sur toute la longueur de la lame de coupe, il doit y avoir une inclinaison radiale negative constante. Autrement, l'outil a une forte efficacité en une zone seulement de la lame de coupe.
Sur les figure 10 et 11, l'angle d'inclinaison radiale 40 (a) sera le même que l'angle de déplacement 40. Cela est le cas car l'inclinaison radiale est 0 ä l'extremiste inferieure de la lame de coupe. Cependant, si l'inclinaison radiale n'est pas 0 Åa l'extrémitè inférieure de la lame de coupe, l'inclinaison radiale et l'angle de déplacement ne peuvent coincider. La figure li illustre l'inclinaison radiale comme étant l'angle dont l'extremite de la lame de coupe est décalée d'un axe radial 38 de l'outil. C'est--dire que la portion de coupe de la lame n'est pas axiale sur toute sa longueur. Elle change constamment.
Contrairement ä la figure 3,
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l'angle de deplacement 40 est le même que pour la lame droite, mais la lame est en spirale, donc la portion de coupe de la lame est axiale sur toute sa longueur.
La figure 14 montre la lame de coupe 26 avec des inserts 30 ayant un angle d'avance de 0 degre. Elle est montréecoupant le tubage 23. Les inserts sont trés proches et ne doivent pas etre necessairement du même diametre. Ils doivent cependant être de la meme epaisseur. ssien que l'on puisse utiliser
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un carbure de tungstène de qualité usure, il est preferable que ce soit d'une qualité de coupe. La figure 15 est une vue en elevation des inserts en carbure. La figure 16 montre une lame de coupe avec des inserts ayant un angle d'avance d'environ 5 à 10 degrés. Les. lames de coupe de ces figures sont de preference des lames de coupe en spirale, bien qu'elles puissent avoir une forme droite.
De meme, sur la figure 16, le support en métal 31 peut être rectangulaire mais avec les inserts placés l'angle d'avance. Dans 1'utilisation d'un tel outil, le metal s'usera rapidement jusqu'aux inserts.
De même, le metal en-dessous des inserts pourrait etre couvert d'un carbure de tungstène broy6 qui amorcera la coupe du tubage.
Les figures 17 et 18 révèlent le mode de réalisation d'une lame droite de coupe qui aurait une inclinaison axiale negative, mais cependant une inclinaison radiale négative constante. La, les inserts de coupe sont places à l'inclinaison axiale negative souhaitée. Cela est accompli par les bras da coupe ayant des gorges en angle échelonnées 43 pour recevoir les inserts. L'angle de la gorge échelonnée détermine l'angle de l'inclinaison axiale negative. Cette lame de coupe avec les inserts places ä une inclinaison axiale negative prédéterminée peut être attachee sur l'outil de maniere qu'il ait une inclinaison radiale negative de 0 à 30 degrés. De plus, cette lame peut être faite ä tout angle souhaité d'avance.
Comme autre alternative, la fente à gorge peut varier en profondeur de manière qu'une rangée d'inserts de coupe ait des hauteurs variables. De meme. chaque fente à gorge peut etre d'une profondeur differente. En utilisant ces alternatives, l'inclinaison radiale des lames de coupe peut
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entre changée.
L'objectif principal de l'invention est d'avoir un outil de broyage ou les lames de coupe sont ä l'orientation optimale de coupe sur toute la longueur de ces lames. Cela est
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important lorsque l'operation de changement des outils est coQteuse. Lorsque les lames de coupe ne sont pas ä l'orientation optimale de coupe, l'outil enlever de moins en moins de materiel tandis que les lames de coupe s'useront et cela produira usuellement plus de chaleur du fait du contact de frottement avec le tubage ou autre article qui est coupe.
En un certain point, le niveau de chaleur atteindra un point forçant l'outil ä se rompre. Ces nouveaux outils de broyage ont une duree de vie accrue lors du broyage d'un tubage pétrolifère et autre., car ils rendent maximale la coupe et minimisent la production de chaleur. Cela signifie la capacité d'enlever 4 ä 10 fois plus du tubage avant qu'un outil de broyage doive être enlevé et remplace. En considérant qu'en usage en champ petrolifere, il peut falloir 8 heures ou plus pour enlever un outil de broyage d'un trou de sondage, remplacer l'outil puis remettre le nouvel outil de broyage dans le trou de sondage, le fait de pouvoir enlever 4 Åa 10 fois plus de tubage par outil produit des économies considerables.
La présente description a été dirigee vers des lames de coupe stationnaires. C'est-a-dire que les lames de coupe sont soudées b l'outil. Cependant, cette decouverte s'applique totalement ä des lames de coupe coulisse comme dans des broyeurs ä section. L'objectifest l'utilisation de lames de coupe placées à une inclinaison axiale negative et ä une inclinaison radiale constante qui est usuellement negative.
Le procédé de fixation deslames de coupe à l'outil n'est pas une caracteristique critique. Pour des lames de coupe ä coulisse, les lames peuvent etre déplacées mécaniquement ou hydrauliquement. De plus, la lame de coupe peut pivoter en un point et s'etendre vers l'exterieur ou bien la lame peut s'etendre vers l'exterieur de la même quantité sur toute sa longueur. Les broyeurs ä section sont des outils qui ont des lames de coupe coulisse. Les broyeurs standards à section peuvent etre adaptes a utiliser les caracteristiques qui ont ete décrites ici.