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Dispositif de jonctionnement étanche pour tige rotative de forage des puits.
Cette invention concerne les dispositifs de jonctionnement applicables aux maîtresses.-'tiges utiliséesdans le forage rotatif des puits c'est-à-dire dans le procédé à injection de boue dans lequel les tiges sont animées d'un mouvement de rotation, le trépan agissant par rouage du terrain. Les dispositifs de jonctionnement de ce genre assurent la réunion amovible des tronçons des tiges de forage.
Les techniciens du forage des puits savent qu'avant que les sections du tuyau constituant par leur ensemble la maî- tresse-tige ne soient introduites dans le puits en cours de
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forage, elles sont généralement équipées à leurs extrémités de la broche de montage du joint et qu'on installe sur l'ex. trémité supérieure de chaque section du tuyau la douille du joint. Les sections du tuyau sont accouplées en vissant la broche d'assemblage-appartenant à chaque section dans la douille prévue sur l'extrémité supérieure de la section placée immédiatement au-dessous. Les organes de jonctionne- ment sont vissés sur les extrémités des sections du tuyau.
Mais ce mode d'assemblage entre les éléments mâles et les éléments femelles donne lieu à des difficultés considérables.
Il est probable qu'il n'existe pas d'autres types de tuyaux qui soient appelés à subir des efforts aussi cousin dérables qu'une tige de forage rotatif. En fait, dans les puits profonds, la tige de forage peut atteindre une longueur égale ou supérieure à trois kilomètres. Les puits ayant une profondeur d'un kilomètre et demi à deux kilomètres et même davantage ne sont pas rares. Dans la pratique industrielle, la tige de forage et le trépan sont entraînés suivant un mouvement de rotation rapide dans le trou en cours de forage, de sorte qu'il se produit des vibrations par suite de l'ac- tion de la mèche sur le fond du puits.
En outre, le poids de la tige de forage qui se trouve au-dessus impose des efforts de compression longitudinaux aux sections inférieures de cette tige au cours du travail et le poids ou la tension qui s'exerce sur ses sections supérieures lorsqu'on relève la tige de forage impose aux joints des efforts longitudinaux représentant une charge de plusieurs tonnes. De plus, la rotation rapide de la tige soumet les joints à un couple très
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fort et "fouette" la tige de forage dans le puits, de sorte qu'il se produit des efforts de torsion latéraux qui tendent à causer une fatigue qui se traduit par une fracture pro- gressive du métal.
D'ailleurs, la pression de pompage qui est employée pour refouler la boue abrasive résultant du forage à travers la tige de forage creuse peut s'élever jusqu'à 70 kgs par cm ou même davantage surtout quand il s'agit d'un puits profond. Ceci expose le tuyau à un risque d'éclatement et se traduit également par un cisaillement rapide si une fuite prend naissance dans le joint. Il est du reste extrêmement difficile de maintenir le trou suivant la rectitude désirable, de sorte que la plupart des puits ainsi forés sont plus ou moins tordus. Cette torsion du puits donne lieu à un effort de flexion latérale qui a tôt fait d'endommager tout joint imparfait.
On voit par ces différentes raisons qu'une tige de forage doit comporter entre ses tronçons constitutifs des joints reliés de telle sorte aux sections du tuyau qu'ils puissent résister aux fatigues considérables qui se produisent au cours du travail.
Il faut d'ailleurs que les joints de ce genre soient bien étanches aux liquides car toute fuite survenant aux points de jonctionnement ne tarde pas à cisailler et à dé- truire le joint. Enfin il faut prévoir les moyens aptes à em- pêcher la rupture du tuyau à la hauteur du dernier filet en- gagé à l'endroit ,de la liaison par vissage entre le tuyau et le joint.
Une caractéristique de l'invention réside dans la dis position d'un filetage sur l'extrémité du tuyau et sur la
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douille de jonctionnement,de façon que le dernier filet enga gé, qui représente l'endroit où une défaillance mécanique à le plus de chance de se produire, se trouve protégé des efforts de flexion latéraux. L'invention prévoit à cet égard le support du joint grâce à un contact intime entre le tuyau et le joint en un point comparativement éloigné du filetage. Cette disposition permet de supprimer la zone de fatigue maximum due aux efforts de flexion dans toute la mesure du possible dans le dernier filetage engagé et d'ob- vier par conséquent à une rupture du tuyau en cet endroit.
Une autre caractéristique de l'invention réside dans un jonctionnement par filetage étanche comportant des sur- faces d'étanchéité lisses aussi bien sur la face interne que sur la face externe des zones filetées, de façon à les sous, traire aux fuites et à la corrosion.
Une autre caractéristique encore de l'invention réside dans un joint à filetage étanche utilisant une broche soli daire du tuyau et une douille solidaire du joint ayant un fuselage uniforme et constituant des surfaces lisses présen- tant une zone intermédiaire filetée.
L'invention est matérialisée dans un dispositif de jonctionnement étudié pour soustraire le raccord entre le joint et le tuyau aux fatigues excessives et remarquable en ce que l'extrémité du tuyau est pourvue d'un filetage ne s'étendant que sur une portion de la partie fuselée et d'une zone lisse et non filetée au niveau de laquelle la douille est également emboîtée sur l'extrémité du tuyau. Cette zone lisse et non filetée constitue une surface d'étanchéité ainsi
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que le support, sa surface présentant un fuselage incliné vers l'intérieur vers l'axe du joint sensiblement dans l'alignement du fuselage des naissances des filets de l'extrémité du tuyau.
Dans les dessins schématiques annexés :-
La fig. 1 est une vue en coupe longitudinale frag- mentaire d'une partie d'un joint de tuyau de forage montrant le raccordement entre la douille du joint et l'extrémité de la section du tuyau établi suivant l' invention.
La fig. 2 est une vue analogue montrant une légère variante de construction.
La fig. 3 est une vue d'ensemble mettant en évidence le mode d'utilisation de ce joint pour réunir les extrémités du tuyau d'une tige de forage de puits.
La fig. 4 est une vue en coupe longitudinale frag- menta.ire d'une partie d'un joint de tuyau quelque peu modi- fié et semblable à la fig. 1.
La fig. 5 est une vue d'une autre variante du joint également semblable à la fig. 1.
On remarquera en se reportant tout d'abord à la fig. 3 que les sections 4 et 5 de la tige de forage sont réunies au moyen du joint. L'extrémité supérieure de la section 4 est reliée par un raccord 8 à une douille de jonc-- tionnement 6. Le raccord 8 sera le plus souvent un raccord fileté, mais l'invention comporte un perfectionnement par rapport aux modes de raccordement ordinaires. L'extrémité inférieure de la section 5 du tuyau est reliée à la broche
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7 du joint par un raccord fileté semblable au raccord 8.
Comme indiqué précédemment, le diamètre externe des éléments de la. tige de forage est limité par le fait qu'un espace doit être réservé, comme figuré en 23 , entre le joint et la paroi du trou ou puits en cours de forage pour permettre la circulation du liquide de lessivage et le passage des outils tels que les souricières à tige et les coupe-tubes. Ces éléments sont assez bien normalisés dans cette industrie. C'est ainsi par exemple que, dans les forages ordinaires on emploie fréquemment des tuyaux ayant un diamètre externe égal à 11 cm. Les tuyaux de ce genre sont raccordés au moyen de joints dont le diamètre externe est normalement compris entre 14,5 et 15 cm. Environ 67 % des joints destinés à des tuyaux de 11 cm mesurent un dia- mètre externe égal à 14,5 cm.
C'est ainsi que, dans un trou en cours de forage mesurant un calibre de 20 cm, il est prévu entre le joint et la paroi du puits, un espaça 23 mesurant environ 2,5 cm et permettant le passage du li- quide ou d'un outil de repêchage ou de sauvetage. Comme on le conçoit, toute réduction de la largeur de cet espace doit être évitée dans toute la. mesure du possible.
Au cours de la rotation de la tige de forage dans le puits, l'abrasion de la paroi de celui-ci contre la surface externe des joints se traduit par une réduction graduelle de l'épaisseur de la, paroi du oint. L'échéance à laquelle le joint est tellement usé qu'il ne peut plus être employé plus longtemps est fonction de l'épaisseur de paroi à l'ex- trémité inférieure du joint neuf c'est-à-dire à l'endroit où le harnais de manutention est engagé quand on l'utilise pour relever et abaisser la tige de forage dans le puits. Quand
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l'épaulement devient tellement mince que ce harnais ne main- tient plus le tuyau, le joint doit être mis au rebut. Il convient donc de donner à cet épaulement une largeur aussi grande que possible, afin de prolonger la durée utile du joint.
Dans le joint représenté dans la fig. 1, l'élément de tuyau 4 comporte une partie interne rétreinte 10 et une partie externe rétreinte 11. La paroi externe du tuyau pré- sente une courte surface cylindrique 12 ; audelà de cette dernière sa paroi externe est fuselée jusqu'à l'extrémité de la section du tuyau. A l'extrémité de cette dernière, le tuyau présente une partie filetée 13 s'étendant sur une partie de la paroi fuselée et qui peut être approximativement égale à la moitié de cette paroi fuselée. Au delà de la partie filetée, le tuyau est fuselé dans l'alignement des creux du pas de vis, ce qui réalise une surface d'étanchéité 14 contre laquelle le joint peut s' engager.
La douille 6 de jonctionnement est filetée le long du raccord fuselé intérieurement 8 pour se visser sur l'ex trémité filetée du tuyau. Cette partie filetée s'étend vers l'extérieur à partir de l'extrémité la plus grêle de la douille et sur la moitié environ de la distance jusqu'à l'extrémité du joint. Au delà de la partie filetée se trouve une surface cylindrique 15 qui permet l'engagement de la partie filetée de l'extrémité du tuyau. Au delà de la partie cylindrique 15 se trouve une partie conique 16 qui vient en contact avec la surface lisse 14 prévue sur l'extrémité du tuyau.
Il est pré- férable que l'extrémité de la douille du joint s'étende au delà de la surface externe cylindrique 12 du tuyau pour ménager
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en 17 un léger espace libre entre la douille du joint et le tuyau afin d'éviter que la paroi externe de celui-ci ne se trouve pincée ou abîmée par l'engagement de l'extré- mité du joint d'outil avec le tuyau pendant les déforma- tions par flexion latérale de la tige de forage qui se produisent au cours de l'usage.
On remarquera. qu'en prévoyant la surface conique d'étanchéité et de support 1416 sur le joint, on obtient la possibilité d'étendre l'engagement de support entre la douille du joint et le tuyau sur une notable distance au delà du dernier filet engagé 18. On remarquera également que ce résultat est atteint sans réduire matériellement l'épais- seur de paroi de l'extrémité ouverte 19 de la douille du joint. En effet, en constituant la partie conique 14 pour qu'elle forme le prolongement des creux des filets sur l'ex- trémité du tuyau, on obtient une plus grande épaisseur de la paroi de la douille du joint à son extrémité que cela ne serait le cas si la surface d'étanchéité située sur la partie conique lisse était .le prolongement des creux des filets de la douille.
L'épaisseur de paroi de la douille du joint est conservée, malgré sa longueur non usuelle, en prévoyant la surface conique lisse sur le tuyau vers l'in- térieur et vers l'axe du joint par comparaison avec le profil de conicité des crêtes des filets du tuyau. Toutefois ceci doit être exécuté en tenant compte de la résistance de la paroi du tuyau. On réalise ainsi une surface d'étanchéité et de support capable de s'opposer à tout passage de liquide en ce point mais comme cette surface s'étend jusqu'à un
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endroit situé à quelque distance du dernier filet engagé, la vibration ou l'effort latéral qui tend à gercer le métal dans le filet est réduite à la partie filetée.
En maintenant la présente épaisseur à l'extrémité de la douille du joint, on ne réduit pas la durée d'usure de la paroi externe du joint jusqu'à la mise au rebut.
Dans la fig. 2 est représentée la zone d'étanchéité entre la douille du joint et l'extrémité du tuyau en 16'.
Cette zone conique de support et d'étanchéité est constituée dans la présente réalisation, par un prolongement de la partie cylindrique 15' du joint vers l'extérieur et vers le bas dans la direction de l'extrémité de l'organe assurant le joint. Ce résultat est obtenu en prévoyant une partie cylin- drique de contact 20 sur l'extrémité des tuyaux sur une courte distance pour permettre l'allongement de la zone cy- lindrique sur la douille du joint.
Au delà de la partie cylindrique 20 sur l'extrémité du tuyau, le joint présente en 16' une conicité pouvant avoir n'importe quel angle dé- siré, la surface conique étant toutefois prévue pour se terminer non loin de l'endroit où la paroi du tuyau mesure l'épaisseur maximum. Il est préférable de ménager un léger intervalle 21 pour empêcher qu'au cours de l'usage le tuyau ne se trouve pincé par l'organe formant joint, comme expliqué précédemment.
Dans la fig. 4, le corps 30 du joint est muni du canal central usuel 31 qui présente une partie biseautée 32 et un épaulement 33 qui se raccorde sans rebroussement avec la paroi d'une douille conique 36.
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La douille que montre la fig. 4 présente une conicité uniforme, de manière à posséder une paroi circulaire fuselée 34. Cette paroi s'étend jusqu'à l'extrémité externe du corps du jointe de façon à. ménager les surfaces d'étanchéité telles que 35 à l'extrémité externe de la douille et telles que 37 à son extrémité interne. On remarquera que ces deux surfaces 35 et 37 présentent la même conicité et constituent un prolongement de la même surface 34. Cependant, les deux sur- faces 35 et 37 sont définies par suite du fait que la zone filetée 38 a été prévue entre les extrémités de la surface fuselée 34.
On remarquera que les filets 38 disparaissent avec le filet partiel vers l'extrémité externe de la douille et qu'une courte zone cylindrique 39 raccorde insensiblement la ligne formant la naissance du filet 38 avec la surface fuselée lisse 35,
Le tuyau 40 est muni d'une surface conique 41 dont la conicité est complémentaire de celle de la surface 34 de la douille 36. Cette surface 34 est interrompue par la zone filetée 42 de l'organe formant broche de raccordement. Les filets intéressant la partie conique créent ainsi une surface d'étanchéité interne 45 voisine de l'extrémité de cette broche. La zone filetée 42 de cette broche est disposée de manière à disparaître en 46 à l'endroit où la ligne 47 mar- quant la naissance des filets du tuyau forme le prolongement des surfaces coniques 41 et 45.
En d'autres termes, les surfaces d'étanchéité coniques présentent la même inclinaison que la ligne 47 des filets 42. A noter que cette ligne coïncide
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à peu près avec la ligne de crête 48 des filets de la douille.
Le fait que la conicité prévue aussi bien à l'inté- rieur qu'à l'extérieur des zones filetées a la même angula- @ rite simplifie la fabrication, la rend ? moins onéreuse et facilite l'étanchéisation et le service qu'on peut attendre de joints de ce type.
Dans la fig. 5 est représentée une variante de réa- lisation de l'invention selon laquelle la partie conique occupée par les filets et la surface externe d'étanchéité ne s'amorce qu'à la naissance des filets comme figuré en 50 et dans la douille et à la naissance des filets comme figuré en 51 sur la broche. Cette construction permet de réaliser une surface d'étanchéité cylindrique dans la douille et une surface d'étanchéité cylindrique complémentaire 53 sur la broche.
Pareille construction est avantageuse en ce sens que seules les faces coniques 35 et 41 ont besoin de se raccorder insensiblement selon une certaine conicité et que pour autant que la zone cylindrique constitue une partie d'emboîtement étanche, ceci peut simplifier la construction, la rendre moins onéreuse et se traduire par un avantage au cours du fonctionnement. Pour le reste, la construction que montre la fig. 5 est semblable à celle qui est représentée dans la fig. 4.
Comme précédemment indiqué, en prévoyant la conicité sur la partie lisse de l'extrémité du joint, de façon qu'elle s'applique à l'intérieur vers l'axe du joint par comparaison avec la conicité ordinaire qui forme le prolongement de celles des creux des filets du joint, l'épaisseur de la paroi de
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celui-ci peut être conservée, ce qui permet de maintenir au joint sa durée utile.
Dans cette variante est représentée une autre réalisa- tion possible de l'idée qui est à la base de l'invention.
P our emboîter l'extrémité du tuyau dans la douille du joint, il est préférable de chauffer celle-ci de façon qu'elle puisse se dilater légèrement et se prêter à un vissage à la main de l'extrémité du tuyau, On laisse ensuite refroidir la douille du joint pour qu'elle se rétreigne sur l'extrémi- té du tuyau,, ce qui a pour effet d'amener les surfaces de support et d'étanchéité intimement en prise sans endommager les parois en contact.
Il convient de noter qu'un léger intervalle 22 est ménagé entre les flancs des filets de la douille et l'extrémité du tuyau, Ce léger intervalle permet une dilatation longitudinale de la douille du joint lors- qu'elle est chauffée, ce qui évite une interférence mécani- que,
En prévoyant les surfaces coniques de support et d'éta.nchéisation sur le tuyau en un point espacé d'une notable distance du dernier filet engagé, on soustrait entièrement aux efforts de flexion latéraux exercés sur le joint la surface du dernier filet engagé. En outre; en pré- voyant la partie conique sur l'extrémité des tuyaux en un point situé vers l'intérieur par rapport aux crêtes des filets taillées sur le tuyau, on a la possibilité de conser ver à la paroi de la douille du joint son épaisseur et par là même de ne pas réduire la durée du joint.
Ce type de joint permet ainsi de réaliser une surface d'étanchéité antre le joint et l'extrémité des tuyaux sans risque que cette surface fuie en même temps que le point
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de support entre la douille du joint et le tuyau se trouve reporté à une certaine distance du dernier filet engagé c'est-à-dire à un endroit où la rupture doit être évitée.
Enfin, en prévoyant la surface d'étanchéité vers l'intérieur c'est-à-dire dans la direction de l'axe du tuyau et à l'écart de la ligne des crêtes des filets du tuyau, on peut conserver à la paroi de la douille du joint l'épaisseur désirée et éviter ainsi de réduire la durée utile du joint.
REVENDICATIONS
1. Dispositif de jonctionnement pour tige de forage de puits comprenant un tuyau à profil conique dont l'extrémité est engagée dans une douille formant joint grâce à des filetages appareillés caractérisé en ce qu'il comprend en plus des filetages ne s'étendant que sur une fraction de la partie conique. une zone lisse non filetée sur laquelle la douille est emboîtée sur l'extrémité du tuyau cette zone lisse constituant une surface de support et d'étanchéité présentant une conicité avec inclinaison vers l'intérieur et vers l'axe du joint sensiblement dans l'alignement de la conicité des naissances des filets de l'extrémité du tuyau.