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JOINTURE FILETEE POUR ELEMENTS DE TIGE DE FORAGE
La présente invention est relative à une jointure filetée pour 1'emmanchage par vissage en bout d'elements
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de tige de forage dont l'un est muni a au moins une extrémite d'un filetage conique male presentant un angle d'ou- verture du cone inférieur A 3"et un pas de filetage constant ä double butée de vissage et dont l'autre est muni d'un filetage conique femelle correspondant.
Il est indispensable que la résistance d'un filetage de forage corresponde au moins aux sollicitations statiques et dynamiques du train de tiges dans le trou a forer et aux efforts supplémentaires exiges lors des manoeuvres.
Ainsi, la connaissance du coefficient de securité permet, lors du sauvetage du train de tiges, d'exploiter le filet jusqu'A sa limite ultime sans incident.
Les forages actuels peuvent atteindre une profondeur de 14 000 m.
La présente invention propose un filetage qui répond mieux aux exigences susdites en presentant notamment de meilleures performances en couple, poussée et traction et fatigue en sollicitations simples ou combinees.
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L'apparition dans les machines de forage d'outils de coupe nouveaux, tels que les plaquettes diamantées ou les elements de coupe diamantees polycristallins a entraîné l'utilisation de tables de rotation plus puissantes, capables de transmettre des couples plus élevés, a la fois, en grandeur et vitesses de rotation, et ce parfois malgré des deviations importantes implosées par les forages diriges.
Ces exigences nouvelles imposent aux tiges de forages et en particulier aux jonctions filetées, des sollicitations extremement sévères, tant au niveau des contraintes de cisaillement, torsion, traction, flexion et compression que des phénomènes de fatigue du corps de filetage.
Comme décrit dans la demande de brevet européen NO 0153224, on utilise couramment dans les forages petroliers, des elements de tige pourvus de. filetage tronconiques comportant au moins une butée de limitation de vissage contre laquelle vient prendre appui lors du serrage l'ex-
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tremit & d'un element male.
La distance observée entre la butée de limitation de vissage exterieure male et la butee de limitation de vissage extérieure femelle, après serrage manuel du filet male constitue le stand-off. L'extrémité du filet est éventuellement munie d'une gorge de decharge destinée à dêf1échir les lignes de forces.
Cette distance est dimensionnée de telle manier qu'un surcouple de serrage procure un assemblage rigide sans provoquer de deformation permanente ni dans l'embout male ni dans l'élément femelle.
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Un filetage de faible conicité permet un grand standoff en relation avec l'angle de cöne.
Les filetages tronconiques de l'élément male et de l'élément femelle présentant un stand-off sont par nature frettants. En les vissant l'un dans l'autre, il s'exerce des efforts radiaux au niveau du filetage qui tendent A
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reduire le diametre du filetage de l'element m le et accroître le diametre du filetage de l'element femelle.
Différents facteurs influencent le couple de torsion qu'il est nécessaire d'appliquer aux tiges pour amener en contact les butées de limitation de vissage, par exemple les tolerances d'usinage, les caractéristiques mécaniques de la graisse et la longueur des stand-offs.
Le couple de serrage recommand < & est celui qui permet d'amener les butées de limitation de vissage l'une contre l'autre avec une pression souhaitée.
Ces filetages connus, de meme que tous les filetages normalisés utilisés ä ce jour en forage pour transmettre un couple, respectent simplement les concepts donnés par l'A. P. I., l'American Petroleum Institute.
Divers types sont très connus des foreurs pétroliers, en particulier le type REGULAR, FULL HOLE et INTERNAL FLUSCH qui comptent environ 4 à 6 filets par pouce (T. P. I).
Ils résistent A de grands efforts de traction et présentent une butée simple et un angle d'ouverture de cône d'environ 8 A 150 et un pas relativement faible, choisi de teile maniere que le rapport de l'angle d'ouverture du cône sur l'angle moyen d'inclinaison de l'hélice soit
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comprise entre 8/1 et 18/1. Ces filetages normalises API ont pour inconvenient de concentrer les efforts de transmission du couple sur un tronçon de matière dont la longueur n'excède pas deux pas.
Notons qu'il existe en forages petroliers et miniers, également d'autres filetages, notamment ceux employés dans les carottiers. Ceux-ci respectent la recommandation de l'API d'avoir la conicité la plus grande possible compatible avec l'épaisseur de tige et de présenter un pas relativement petit. Pour sauvegarder cette recommandation de l'API, les constructeurs ont choisi des pas compris entre 6 et 8 TPI.
Les filets normalisés par l'API ainsi que les filets par carottiers ont la caractéristique importante d'etre interchangeables entre eux. Tant que le critère commercial d'interchangeabi1ité prévaut, la seule façon d'augmenter les performances en résistance vis-ä-vis d'un couple d'un filet standard est de choisir un acier possedant une meilleure resistance c'est-a-dire une limite élastique et une limite ä la rupture plus élevée. Mais ce choix n'apporte qu'une amelioration negligeable et entraine comme corollaire une diminution de l'allongement et donc une tenue ä la fatigue nettement reduite, c'est-ädire en d'autres mots,, la tige accepte des deviations plus faibles et aura une durée de vie plus courte.
La plupart des destructions constatées dans les trains de tiges mettant en oeuvre des filetages API sous les conditions sévères d'utilisation selon les nouvelles techniques de forage, sont localisées au voisinage immédiat
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des butées de limitation de vissage et se présentent sous l'une des formes suivantes :
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1. renflement de la zone d'alésage de l femelle au voisinage de la butee exterieure et renforcement annulaire simultan de l'embase male par fluage ;
2. brisure nette du type fragile du corps de l'embout male au niveau de la derniere spire ou de la zone d'alesage adjacente A cette spire et à la butee extérieure ;
3. brisure nette de la douille de l'élément femelle au niveau de la spire d'entrée du filetage ou de la portion du tube alésée adjacente à la butée exterieure ;
4. brisure nette de l'embout male au niveau de l'entrée du filetage ;
5. brisure nette de l'element femelle au niveau de la zone alesee au fond du filetage ;
6. deformation des fonds de filet provoquö par des tensions excessives ou par fatigue.
La présente invention vise ä remédier aux inconvénients susdits. Dans ce but elle propose une jonction filetee conique jouissant de performances inattendues.
Le gain de résistance ä la torsion resulte de la combinaison d'un angle de cöne faible de l'ordre de 1 à 3 degrés et d'un grand pas. Il faut veiller toutefois A ce que la tangente de l'hélice soit inférieure au coefficient de friction de 0,08 généralement avancé par l'American
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Petroleum Institute API pour assurer l'indesserrabilite des pieces et augmenter la valeur admissible du couple de serrage du joint.
L'invention repose sur le fait'que lorsqu'on augmente l'inclinaison de filetage, on augmente également la contribution du filetage dans la transmission d'un couple de torsion, puisqu'on sollicite moins les butées.
En augmentant l'inclinaison d'un filetage, on fait travailler un plus grand volume de matière pour un profil donne du filetage.
Ces particularites et details de l'invention, ainsi que d'autres, apparaltront au cours de la description détaillée suivante faisant reference au dessin suivant, qui illustre une forme de réalisation particulière et prise A titre d'exemple non limitatif, de l'invention.
Dans ces dossiers :
La figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'un element de tige de forage muni d'un filetage tronconique selon l'invention, ä une seule entree et
La figure 2 illustre une seconde forme de réalisation d'un filetage selon l'invention.
En s'éloignant de la theorie donnee par l'API et en suivant une logique plus proche des exigences du forage
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d'aujourd'hui, on a créé dans une même epaisseur de tige l, un filet 2 presentant un couple de torsion nettement
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superieur et une résistance ä la fatigue également superieure tout en maintenant les autres propriétés (pull capacity, étanchéité, etc...) au moins egales à leur niveau actuel.
Les filetages selon l'invention peuvent être des filetages de profil quelconque, par exemple triangulaire, trap6zoldal ou rond. Ces filetages trapezoldaux assurent un meilleur centrage par l'inclinaison des flancs.
La combinaison d'un angle d'ouverture a faible et d'un grand pas p par rapport au diametre D de la tige 2 procure au filetage des performances inattendues, remarquables par rapport au poids des tiges. p/D = tg ss ss = 1 à 30
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Elle rend possible le vissage en bout des elements de tiges au couple de serrage recommande en deux ou trois tours seulement.
Elle permet également de menager des butées 3 presentant une surface portante suffisante que pour reprendre les efforts de pression importants. Une conicité faible permet de mieux maltriser les pressions dues ä l'effet frettant du stand-off qui prend appui sur les flancs des profils des filets.
Un choix judicieux du profil permet aux filets de s'appuyer davantage sur les flancs 4 et pour certaines applications sur le fond 5 des filets. En effet, on induit sur la face superieure du profil, lors du vissage, un effet frettant tandis qu'on engendre des effets de
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pression sur les butées par les flancs du profil. Les flancs 4 en opposition avec les butees contribuent ainsi A transmettre le couple de serrage. Ce couple de serrage induitsur toute la longueur du filetage une précontrainte de pression qui prévirent les phénomènes de fatigue dus aux flexions répétées des tiges.
On comprend aisément qu'un grand pas permet de moins solliciter les butées pour un même couple.
La combinaison d'un angle d'ouverture a faible et d'un grand pas permet d'atteindre les performances plus severes que les forages actuels exigent.
En outre, le fait de choisir une double butée 3 usine
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de part et d'autre du filetage dans les limites de la pre- eis ion d'usinage assurée par les machines outils actuelles et d'élasticité du filet, a pour but de doubler la surface des butées de limitation de vissage en vue de pouvoir augmenter en premier lieu les performances mécaniques de train de tiges, en particulier le couple de torsion transmis par le train de tiges et non pas d'augmenter l'étanchéité dudit train de tiges.
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Grâce ä la combinaison susdite d'un angle d'ouverture a de l'ordre de 1 ä 3 et d'une inclinaison de l'helice de l'ordre de 1 ä 3 ä l'entree du filetage, on permet d'augmenter de la resistance en couple de torsion par un emploi plus judicieux de la matière disponible au filet et en repartissant les efforts sur un plus grand volume de matière. On augmente ainsi les performances de nouveau filetage selon l'invention, par rapport aux filetages connus, dans une proportion pouvant
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atteindre 270 %, comme illustre par l'exemple comparatif suivant.
A titre d'exemple nous donnons le tableau comparatif pour un filet 6 3/4 nouveau.
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<tb>
FILET <SEP> NOUVEAU <SEP> FACTEUR
<tb> NORMALISE <SEP> FILET <SEP> COMPARATIF
<tb> l <SEP> seule <SEP> entree <SEP>
<tb> Couple <SEP> de <SEP> 1300 <SEP> kg. <SEP> m. <SEP> 3490 <SEP> kg. <SEP> m. <SEP> soit <SEP> 270 <SEP> % <SEP> du
<tb> serrage <SEP> re- <SEP> normalisé <SEP>
<tb> command6
<tb> Couple <SEP> de <SEP> 3055 <SEP> kg. <SEP> m. <SEP> 8200 <SEP> kg. <SEP> m. <SEP> 270 <SEP> % <SEP> du
<tb> rupture <SEP> normalisé <SEP>
<tb> Maximum <SEP> 125 <SEP> T <SEP> 193 <SEP> T <SEP> 154 <SEP> % <SEP> du
<tb> Pull <SEP> normalisé <SEP>
<tb>
Ce tableau permet d'évaluer les nouvelles performances.
Les mesures sont le résultat d'investigations permettant de comparer l'etude et les essais (analyses par elements finis, jauges de contraintes et de déformations ..). Les mesures les plus precises et les plus performantes ont été effectuées sur un banc d'essai en couple.
Le fait de choisir une zone d'introduction non filetée 6 de longueur d'au moins deux pas entre le premier filet et la butée permet d'augmenter la quantité d'acier travaillant ä un haut niveau de sollicitations impliquant des problemes dynamiques sévères et des blocages intempestifs importants.
Quant aux gorges de décharges 7,8 prévues dans les zones mortes et dans les tiges au voisinage des raccords,
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et illustrées aux figures 1 et 2 unique, elles permettent de filtrer les sollicitations de fatigue et de protéger le filet lorsqu'elles sont judicieusement dimensionnees.