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CHAPITRE 3

LES OUTILS A ELEMENTS DE COUPE FIXES3.1 Proprits du diamant

Le diamant est une substance ayant des proprits physiques remarquables:

Cest la substance la plus dure (rsistance lcrasement la plus leve) que lon connaisse. Le diamant est environ 10 fois plus dur que lacier et 2 fois plus que le carbure de tungstne.

Cest la substance la plus rsistante lusure (environ 10 fois plus rsistant que le carbure de tungstne).

Cest la substance qui a le plus faible coefficient de friction; le diamant est plus glissant que le Tflon.

Cest le meilleur conducteur de chaleur.

Son coefficient de dilatation est trs faible ce qui pose problme lorsquil est associ dautres matriaux (voir stabilit thermique des PDC).

Son point de fusion est lev (3 650 C), mais il se transforme superficiellement en graphite partir de 1 300 C et perd sa rsistance mcanique.

Grce ces qualits remarquables, le diamant est utilis depuis trs longtemps dans lindustrie minire.

Le poids des diamants sexprime en carats (1 carat = 0.20 g). Un diamant dun carat a un diamtre denviron 5 mm. Le plus souvent, la taille des pierres est indique en nombre de pierres par carat.

3.2 Diffrents types de diamants utiliss

Les fabriquants doutils utilisent deux catgories de diamants: les diamants naturels et les diamants synthtiques.

3.2.1 Les diamants naturels

Ils proviennent de mines et les pierres employes pour la fabrication des outils de forage =

=$===============$industriels de trs bonne qualit. Des pierres de diffrentes structure et forme sont utilises :

Les pierres de qualit premium sont arrondies et conviennent pour de nombreuses utilisations. Leur rsistance leve labrasion et aux chocs les rend particulirement efficaces dans les argiles cassantes et dans les formations dures et fractures.

Les pierres de qualit suprieure sont des formes plus anguleuses que les prcdentes. Grce une meilleure rsistance labrasion et lusure, elles sont recommandes pour les formations dures et abrasives. Cependant, il faut viter de les utiliser dans les formations fractures et casses car leur rsistance aux chocs est plus faible que celle des premium.

Les diamants de qualit standard sont de forme arrondie. De moins bonne qualit que les premium, ils donnent de bons rsultats dans les formations peu abrasives.

Les diamants de forme cubique sont moins rsistants aux chocs et labrasion que les prcdents. Ils sont trs performants dans les formations tendres, mais sont dconseills dans les formations dures ou fractures.

Les carbonado sont des formes irrgulires et anguleuses. Ils nont pas de structure cristalline bien dfinie et en particulier ne possdent pas de plan de clivage (structure polycristalline contrairement aux autres formes). Cette structure particulire leur confre une plus grande rsistance aux chocs. De ce fait, ils sont souvent associs avec les autres formes de diamant et placs aux endroits les plus exposs de loutil. Ils permettent damliorer les performances dans les formations fractures.

La taille des pierres utilises pour les outils de forage varie entre 1 15 pierres par carat.

3.2.2 Les diamants synthtiques

3.2.2.1 Les PDC (Polycristalline Diamond Compact)

En 1971, General Electric a russi faire la synthse du diamant en laboratoire partir dun mlange de graphite, de nickel et de cobalt soumis des conditions de pression et de temprature trs leves (100 000 bar et 1 500 C). La fine couche de diamant, grce la prsence de cobalt, peut tre fixe sur un support en carbure de tungstne. Le produit obtenu est appel stratapax ou compact (voir figure 3.1).

Les diamants obtenus par synthse sont polycristallins (do le nom de PDC : Poly-cristalline Diamond Compact): la couche de diamant ainsi forme est constitue de petits cristaux qui se sont dvelopps dans des directions alatoires (structure comparable celle du carbonado). Le cobalt, utilis pour catalyser la synthse, sert galement de liant entre les cristaux. Cette structure poly cristalline confre au diamant synthtique une rsistance la compression et lusure plus leve que celle du diamant naturel.

La couche de diamant suse par micro-caillage, ce qui entrane un auto-afftage du PDC qui maintient lefficacit de larte de coupe. Les performances du taillant seront donc peu ou pas diminues au cours de la vie de loutil.

Cependant, les coefficients de dilatation thermique du liant et du diamant sont trs diffrents (coefficient du liant beaucoup plus lev). A partir de 400 C, la dilatation diffrentielle des diffrents constituants produit la rupture des liaisons entre cristaux et le PDC perd progressivement sa rsistance, la structure nest plus stable aux environs de 750 C. Il est donc essentiel de maintenir le PDC une temprature la plus faible possible.

Les premiers compacts tre synthtiss avaient un diamtre de 8 mm, actuellement on sait fabriquer des compacts de 2 pouces. Les diamtres les plus couramment utiliss sont 0.5", 0.75" et 1 pouce. Les compacts peuvent tre brass sur le corps de loutil ou peuvent tre fixs sur des supports cylindriques de carbure de tungstne (figure 3.1) emmanchs en force chaud dans le corps de loutil.

Fig. 3.1 Structure dun PDC3.2.2.2Les TSP (Thermally Stable Polycristalline)

Pour pallier linstabilit thermique des PDC, General Electric a mis au point un diamant synthtique o le catalyseur est limin par acidification. Le produit obtenu est stable jusqu des tempratures de lordre de 1 200 C. Cependant llimination du cobalt fait quil nest pas possible de fixer le diamant obtenu sur un support quelconque. Le TSP devra tre maintenu en place mcaniquement comme le diamant naturel.Il existe un autre procd de fabrication o le cobalt et le nickel sont remplacs par du silicium. Le produit obtenu est encore plus stable du point de vue thermique, mais comme dans le cas prcdent, il ne peut pas tre fix sur un support.

Les TSP sont disponibles sous plusieurs formes :

Triangulaire dont la taille est de lordre de 3 pierres par carat. Il est utilis pour forer des formations moyennement dures.

Disque dont la taille est de lordre dune pierre par carat. Il est utilis pour forer le mme type de formation mais est plus performant dans les situations o une plus grande rsistance lusure et au choc est demande. Cette forme permet davoir une vitesse davancement et une dure de vie plus leves dans des formations dures et abrasives ou fractures.

Les TSP peuvent tre regroups pour former des structures en mosaque de la dimension des PDC. Cette structure a permis daugmenter la vitesse davancement et dallonger la dure de vie de loutil dans des formations tendres, abrasives et dans les intercalations dargiles et de roche plus dures, l o les PDC ntaient pas rentables.Le TSP prsente de nombreux avantages sur les autres types de diamant:

- Il rsiste mieux la temprature que le PDC.

- Grce sa structure polycristalline, il rsiste mieux au choc que le diamant naturel ( lexception du carbonado qui est galement polycristallin).

- Son usure irrgulire produit des faces tranchantes alors que le diamant naturel smousse. De ce fait, les performances des TSP diminuent peu ou pas au cours de la vie de loutil.

En dfinitive, le TSP a lefficacit du PDC et la rsistance la temprature du diamant naturel.3.3 Mode de destruction de la roche par les diffrents types de diamants

3.3.1 Les diamants naturels

Il agit par abrasion en creusant un sillon autant par fracturation que cisaillement, il laboure la roche (voir figure 3.2). Leffort dcrasement a autant dimportance que leffort tangent. Il sera ncessaire dappliquer un poids et une vitesse de rotation relativement levs pour forer.

Le handicap du diamant naturel est la faible dimension des pierres utilises. La profondeur de lentaille produite dans la roche est trs faible (de lordre de 0.1 mm). Cela limite lutilisation du diamant naturel aux terrains les plus durs et abrasifs. Les vitesses davancement obtenues seront donc relativement faibles (de 2 5 m/h).

3.3.2 Les PDC

Ils travaillent la faon de loutil dune machine outil en cisaillant la roche. La mise en action de llment de coupe ncessite en premier un effort dcrasement entranant la pntration dans la formation.

Les taillants soulvent les copeaux de roche forms (voir figure 3.2) ce qui contribue un meilleur nettoyage du front de taille, donc vite le bourrage de loutil et permet dobtenir une vitesse davancement maximale (dans les formations plastiques, lavancement est plus limit par le nettoyage du front de taille que par la destruction de la roche).

Dans les formations tendres, cest le mcanisme qui demande le moins dnergie pour dtruire la roche mais qui produit le plus de couple. Des vitesses davancement leves sont obtenues avec des poids sur loutil beaucoup plus faibles quavec les autres types doutils.

Action dun outil diamant naturelAction dun PDC

Fig. 3.2 Mode de destruction de la roche par les outils diamant3.3.3 Les TSP

Laction du TSP dpend de lorientation et de la hauteur dexposition du taillant. Il combine le mcanisme de destruction des PDC et des diamants naturels. Lorsque loutil est conu pour forer des formations tendres, le TSP cisaille la roche. Dans les formations dures, il laboure la roche de la mme manire que le diamant naturel.

Quel que soit le type de diamant utilis, la friction entre les taillants et la formation produit beaucoup de chaleur; le dbit de circulation doit tre important pour refroidir correctement loutil et viter de dtruire les diamants.

3.4 Conception et fabrication des outils

3.4.1 Nature du corps de loutil

De par leur absence de mouillabilit aux mtaux, les diamants naturels ne peuvent tre fixs sur loutil que par sertissage ou en imprgnation dans la matrice. Les TSP, de part leur forme triangulaire, peuvent tre fixs par brasage, sertissage ou en imprgnation. A cause de leur faible rsistance la temprature, les PDC ne peuvent pas tre sertis, ils sont fixs par brasage ou monts de la mme faon que les picots de carbure de tungstne sur les outils molettes.

Il existe deux types de corps :

Une matrice constitue dun alliage base de carbure de tungstne, de nickel et de cuivre ayant un point de fusion suffisamment bas pour ne pas endommager les diamants. Elle est obtenue par moulage. Les diamants peuvent tre enchsss, brass ou en imprgnation. (figure 3.3)

Fig. 3.3 Diffrents types de corps et nomenclature des diffrents lments Un corps en acier ralis dune seule pice (le filetage est taill directement sur le corps). Lusinage, contrl par ordinateur, permet dobtenir une plus grande prcision et des formes plus rptitives que par moulage, mais moins complexes.

Il existe des supports de compacts de formes et de longueurs diffrentes. Ces supports sont emmanchs chaud dans des trous usins dans le corps de loutil. En gnral, une goupille permet de les positionner trs prcisment.

La matrice en carbure de tungstne prsente les avantages suivants sur le corps en acier :

Lalliage est plus rsistant lrosion et labrasion que lacier, ce qui permet dutiliser des dbits de circulation levs et davoir un meilleur nettoyage du front de taille et un meilleur refroidissement des taillants.

Tous les types de diamants peuvent tre monts sur ce type de matrice, ce qui permet de renforcer le pourtour de loutil pour viter la perte de diamtre dans les formations abrasives (diamants en imprgnation dans la matrice).

Elle offre une plus grande possibilit de formes grce au moulage ce qui donne une plus grande souplesse dans la conception hydraulique de loutil et limplantation des lments de coupe.

Les corps en acier ne permettent pas davoir une densit dlments de coupe et de renforts trs leve.

Cependant :

Le cot de fabrication des outils corps en acier est infrieur celui des outils matrice.

Le corps en acier est plus rsistant aux chocs et la torsion.

Pour les gros diamtres, le moulage pose quelques problmes.

Lusinage dun corps permet de positionner les taillants avec une plus grande prcision.

Le brasage prsente quelques inconvnients (rduction de la rsistance des taillants, etc.).

Les corps acier sont plutt adapts aux formations tendres, homognes, non abrasives.

3.4.2 Fabrication des outils

3.4.2.1 Les outils diamants naturels

On procde dabord la fabrication dun moule en graphite o la position de chaque diamant et des lignes deau (canaux dirrigation des diamants) est prvue.

Le moule est rempli de carbure de tungstne en poudre (1), au dessus duquel on ajoute un liant base de cuivre et de nickel, aprs mise en place de la monture en acier (2). Le point de fusion du liant se situe entre 900 et 1 080 C suivant sa composition et selon la duret de la matrice que lon veut obtenir, lensemble est mis au four parfois pendant plusieurs heures (le temps dpend de la taille de l'outil) afin de permettre une pntration parfaite du liant entre les grains de carbure et autour des diamants. Le raccord filet (3) en acier au carbone (A.P.I.) est rapport par soudure sur la monture en acier qui est elle en acier doux (pour viter la trempe et la carburisation dans le moule en graphite lors du passage au four).

3.4.2.2 Les diamants brass

A cause de leur faible rsistance thermique, il nest pas possible de mettre en place les PDC dans le moule et ensuite de passer lensemble au four.

Le procd de fabrication de la matrice est identique celui utilis pour les diamants naturels. Pour le passage au four, les PDC sont remplacs par des pastilles de graphite. Lorsque la matrice est termine, ces pastilles sont enleves et les taillants sont ensuite brass. La brasure engendre des contraintes thermiques sur les taillants rduisant leurs capacits.

Les moules sont actuellement conus par ordinateur et fabriqus en rsine: cela permet de faire de nouveaux profils doutil en un temps trs court (de lordre de quelques jours) et permet galement dobtenir un dessin du moule plus prcis.

3.4.2.3 Les diamants en imprgnation

Pour limprgnation, on utilise des diamants de trs petite taille (150 pierres par carat, ce qui correspond un diamtre de lordre de 0.8 mm).

Limprgnation se fait :

Soit dans la masse de la matrice sur une paisseur de lordre du cm. Au fond du moule, on place un mlange de diamants et de poudre servant la fabrication de la matrice et lensemble est pass au four.

Soit lon fabrique des segments de carbure de tungstne imprgns de diamants. Ces segments sont soit brass, soit emmanchs en force dans le corps de loutil.

Ces outils sont utiliss pour forer des formations trs dures et abrasives ou pour augmenter la dure de vie de loutil. Au fur et mesure de lusure de la matrice, les diamants exposs se dchaussent et de nouveaux taillants apparaissent.

3.4.3 Profil de l'outil

Les tudes montrent que le profil de l'outil a un effet trs important sur les performances (vitesse d'avancement, usure). C'est un des premiers critres pris en considration par les fabriquants pour la conception d'un outil.

Le moulage permet de raliser des corps de formes trs varies et donc d'adapter les outils diamants diverses conditions de forage.

Figure 3.4 Profils des outilsOn peut distinguer 3 types principaux de profils : le profil plat (ou cne peu profond), le profil conique et le profil parabolique. Le profil sera dtermin par la longueur relative du flanc, du nez et du cne central de l'outil.

La rpartition et la densit des taillants seront diffrentes suivant les profils. Ces diffrents profils seront adapts des conditions spcifiques (type de formation, type de forage, etc.).

Le flanc (voir figure 3.3) est la partie situe entre la partie frontale et le diamtre de l'outil. Son rle est de tailler la roche au diamtre de l'outil pendant toute sa dure de vie. Le rle du flanc est trs important lorsque l'outil tourne grande vitesse.

Le nez (voir figure 3.3) est la partie de l'outil qui pntre en premier dans la formation, donc c'est la partie expose en premier aux changements de formation. La densit des taillants doit tre telle que l'outil puisse supporter des contraintes supplmentaires lorsquil pntre dans une formation plus dure. Le nez joue un rle important dans la ralisation de la trajectoire du puits.

Le cne (voir figure 3.3) central rduit les mouvements latraux de l'outil et augmente sa stabilit. Utilis dans les formations consolides, il facilite le maintien d'une trajectoire rectiligne. Il joue un rle trs important dans le comportement des outils PDC en dviation. C'est pour cette raison que ces outils prsentent une grande varit de partie centrale suivant l'application que l'on dsire en faire.

La forme de loutil, la densit et la position des taillants sont dtermines actuellement par des programmes informatiques en fonction des caractristiques des roches forer et de lutilisation prvue pour loutil (outil pour dvier, pour forer avec une turbine, etc.).

3.5 Tolrance de fabrication

Contrairement aux outils molettes, les tolrances de fabrication des outils diamant sont ngatives (diamtre infrieur au diamtre nominal). Elles sont de :

0 0.015" (environ 1/64") pour les outils de diamtre 6 et moins,

0 0.020" (environ 1/64") pour les outils de diamtre 6 25/32 9" inclus,

0 0.030" (environ 1/32") pour les outils de diamtre 9 1/32 13 inclus,

0 0.045" (environ 3/64") pour les outils de diamtre 13 25/32 et plus.

La raison de cette tolrance ngative est due au fait que les tricnes ont tendance perdre du diamtre dans les formations dures et abrasives et que les outils diamants peuvent tre trs facilement endommags sils sont descendus dans un trou sous dimensionn.

Autrefois, la perte de diamtre pour un tricne tait chose courante, donc la pratique consistait descendre un outil diamant avec la tolrance ngative maximum. La tendance actuelle est davoir des outils diamant ayant une tolrance minimum car la perte de diamtre sur les tricnes est devenue plus rare.

3.6 Paramtres mcaniques

Pour les outils diamants, il est important de respecter les paramtres indiqus par le fabricant car les efforts sappliquant sur loutil ont t pris en compte pour le raliser.

Pour les outils diamant naturel, le poids est un paramtre important. Par contre pour les outils PDC, la vitesse de rotation est le paramtre le plus important.

3.7 Paramtres hydrauliques

Pour refroidir correctement les diamants et viter de les "brler", il est important d'avoir un dbit de circulation important.

Le respect d'un dbit de circulation lev est prpondrant pour ce type d'outil tout d'abord pour refroidir les taillants et ensuite pour nettoyer le front de taille.

3.7.1 Influence du nettoyage du front de taille sur la vitesse davancement

Comme pour les outils molettes, lvacuation des dblais du front de taille a une trs forte influence sur la vitesse d'avancement.

Avec les PDC, dans les formations tendres, il est prfrable daugmenter le dbit plutt que la vitesse du jet de boue la sortie des duses; une puissance hydraulique de 2 3 hp / in2 est courante. Avec une boue lhuile ou dans certains types dargiles, on prendra des valeurs plus faibles. Dans des formations plus dures, avec de la boue leau, une puissance de 3 5 hp / in2 est habituelle.

3.7.2 Influence des caractristiques de la boue

Les effets de la densit, de la filtration, de la viscosit et de la teneur en solide sur la vitesse davancement sont similaires ceux dcrits au paragraphe 2.7.2 pour les outils molettes.

Pour les outils diamants naturels, comme pour les outils molettes, la boue l'huile a un effet plutt nfaste sur la vitesse d'avancement, du fait du mode de destruction de la roche.

Par contre, la boue l'huile a tendance amliorer les performances des PDC et des TSP (lorsque ces derniers travaillent la faon des PDC).

La boue leau a tendance favoriser le bourrage des PDC dans certains types dargiles.

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