FR2954454A1 - Composant filete tubulaire resistant au grippage et procede de revetement d'un tel composant - Google Patents

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Abstract

Composant tubulaire fileté résistant au grippage pour le forage ou l'exploitation des puits d'hydrocarbures, ledit composant tubulaire présentant en l'une de ses extrémités (1; 2) une zone filetée (3; 4) réalisée sur sa surface périphérique extérieure ou intérieure selon que l'extrémité filetée est du type mâle ou femelle, au moins une portion de l'extrémité (1; 2) étant revêtue d'un film sec comprenant une matrice de fluoro-uréthane. Procédé pour revêtir un tel composant.

Description

VMOG 88.FRD 1 COMPOSANT FILETE TUBULAIRE RESISTANT AU GRIPPAGE ET PROCEDE DE REVETEMENT D'UN TEL COMPOSANT [0001] La présente invention concerne un composant tubulaire résistant au grippage et utilisé pour le forage et l'exploitation des puits d'hydrocarbures, et plus précisément l'extrémité filetée d'un tel composant, ladite extrémité étant de type mâle ou femelle et apte à être raccordée à une extrémité correspondante d'un autre composant pour former un joint. L'invention concerne aussi un joint fileté résultant du raccordement par vissage de deux composants tubulaires. L'invention concerne également un procédé de revêtement d'un tel composant tubulaire résistant au grippage. [0002] On entend par composant « utilisé pour le forage et l'exploitation des puits d'hydrocarbures », tout élément de forme sensiblement tubulaire destiné à être assemblé à un autre élément du même type ou non pour constituer in fine soit une garniture apte à forer un puits d'hydrocarbures, soit une colonne montante sous-marine pour la maintenance telle que les « work over riser » ou pour l'exploitation telle que les risers, soit une colonne de cuvelage ou de production intervenant dans l'exploitation du puits. L'invention s'applique également aux composants utilisés dans une garniture de forage tels que par exemple les tiges de forage « Drill Pipes », les tiges lourdes « Heavy Weight Drill Pipes », les masses-tiges « Drill Collars » et les parties de joints des tiges et des tiges lourdes dites les « tool joint » en langue anglaise. [0003] Chaque composant tubulaire comporte une extrémité dotée d'une zone filetée mâle et/ou une extrémité dotée d'une zone filetée femelle destinées chacune à être assemblée par vissage avec l'extrémité correspondante d'un autre composant, l'assemblage définissant un joint. [0004] Les composants tubulaires filetés sont assemblés sous des contraintes définies afin de répondre aux exigences de serrage et d'étanchéité imposées par les conditions d'utilisation. Selon les types d'alliages utilisés pour les connexions, les contraintes peuvent varier en sévérité et en nature. Les alliages d'acier au carbone sont plutôt vulnérables quant à leur tenue à la corrosion en général et montrent des propriétés de frottement en revanche plus favorables. Les alliages inoxydables vont a contrario présenter un comportement en frottement plus critique mais offrir une résistance à la corrosion très bonne. Sur puits, les composants tubulaires filetés peuvent avoir à subir plusieurs cycles de vissage et de dévissage. Les opérations de vissage se font généralement sous forte charge axiale, par exemple le poids d'un tube de plusieurs mètres de longueur à assembler par le joint fileté, éventuellement localisée par un léger désalignement de l'axe des éléments filetés à assembler, ce qui induit des risques de grippage au niveau des zones filetées et au niveau des surfaces d'étanchéité métal / métal. [0005] Différentes solutions destinées à protéger les zones filetées contre le grippage ont été mises en oeuvre. [0006] De manière traditionnelle, pour protéger les zones filetées contre le grippage lors des opérations de vissage et de dévissage, celles-ci sont débarrassées de la graisse de protection contre la corrosion et enduites de graisses spéciales de vissage telles que la graisse selon les normes de l'American Petrole Institute API Bul. 5A2 ou 5A3. Toutefois, l'utilisation de telles graisses chargées en métaux lourds et/ou toxiques tels que le plomb a, outre l'inconvénient de devoir faire une opération supplémentaire d'enduction sur puits, l'inconvénient de provoquer une pollution des puits et de l'environnement, l'excès de graisse étant éjecté des filetages lors du vissage. [0007] Pour améliorer la rétention des lubrifiants ainsi que l'adhésion des revêtements sur les aciers au carbone, des traitements de type phosphatation ont été développés, tels que la phosphatation Zinc, la phosphatation Manganèse, ou bien des phosphatations mixtes. Ces traitements consistent en une attaque chimique de l'acier conduisant à la formation d'une couche cristalline très adhérente permettant une protection accrue contre la corrosion. [0008] Ce type de traitement de surface présente néanmoins l'inconvénient de ne pas être applicable aux aciers au chrome. Il présente également des inconvénients sur le plan industriel, dans la mesure où il est difficile de maîtriser les paramètres techniques (défauts d'homogénéité possibles), et dans la mesure où les effluents doivent être traités de façon coûteuse. [0009] Les traitements de surface de type oxalatation, basés sur l'attaque de la surface par l'acide oxalique, et utilisés sur les aciers présentent des inconvénients en termes de respect de l'environnement plus prononcés que ceux évoqués précédemment pour la phosphatation. [0010] Pour améliorer la rétention des lubrifiants ainsi que l'adhésion des revêtements sur les aciers au carbone, des solutions utilisant la modification des surfaces par action mécanique comme par exemple le grenaillage, le sablage et tout autre procédé par impact ont été également utilisés. Toutefois, les performances observées sont faibles. [0011] D'autres procédés utilisent la diffusion métallique, tels que la shérardisation et autres procédés dérivés. Ce type de procédé est industriellement lourd et coûteux et pose le problème du traitement des effluents, en raison de la présence de zinc sur la surface. [0012] Des avancées davantage conformes aux normes environnementales ont consisté à concevoir un produit dit «sec» de lubrification, palliant une grande partie des problèmes liés à l'utilisation des graisses de type API. Ainsi, des lubrifiants de type vernis sec de glissement thermodurcissables ont permis d'apporter une solution écologiquement viable et de haute performance. C'est le cas notamment des résines à base époxy comprenant des particules de lubrifiants solides. [0013] Des systèmes de type viscoplastique ont également été développés afin d'atteindre des performances encore supérieures. [0014] Toutefois, les vernis secs de glissement thermodurcissables ou bien viscoplastiques n'offrent pas toujours de résistance suffisante au grippage. [0015] L'invention propose une solution s'inscrivant dans la lignée des lubrifiants de type vernis sec de glissement et résistante vis-à-vis du grippage. [0016] Plus précisément, l'invention porte sur un composant tubulaire fileté résistant au grippage pour le forage ou l'exploitation des puits d'hydrocarbures. Ledit composant tubulaire présente en l'une de ses extrémités une zone filetée réalisée sur sa surface périphérique extérieure ou intérieure selon que l'extrémité filetée est du type mâle ou femelle, au moins une portion de l'extrémité est revêtue d'un film sec comprenant une matrice de fluoro-uréthane. [0017] Des caractéristiques optionnelles, complémentaires ou de substitution, sont énoncées ci-après. [0018] La matrice fluoro-uréthane est obtenue par réticulation du fluoroéthylènevinyléther. [0019] Des particules de lubrifiants solides sont dispersées dans la matrice. [0020] Les particules de lubrifiants solides comportent des particules de lubrifiants d'au moins deux des classes 1, 2, 3 et 4. [0021] Un agent anticorrosion est intégré à la matrice. [0022] Une cire de synthèse et/ou une huile est (sont) intégrée(s) à la matrice. [0023] Des additifs sont intégrés à la matrice pour renforcer les propriétés mécaniques. [0024] Toute la zone filetée est revêtue du film sec. [0025] Une surface d'étanchéité métal/métal prévue sur le composant tubulaire est revêtue du film sec. [0026] L'invention porte également sur un joint fileté tubulaire comprenant un composant tubulaire fileté mâle et un composant tubulaire fileté femelle vissés l'un dans l'autre. L'un au moins desdits composants tubulaires filetés est tel que décrit ci-dessus. [0027] L'invention porte également sur un procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté résistant au grippage pour le forage ou l'exploitation des puits d'hydrocarbures, ledit composant tubulaire présentant en l'une de ses extrémités une zone filetée réalisée sur sa surface périphérique extérieure ou intérieure selon que l'extrémité filetée est du type mâle ou femelle. Le procédé comprend les étapes suivantes L'obtention d'un système comportant une résine fluoroéthylènevinyléther réticulable, - le dépôt du système sur au moins une portion de la zone filetée sur une épaisseur d'au moins 20 microns, la réticulation de la résine fluoroéthylènevinyléther en fluoro-uréthane. [0028] Des caractéristiques optionnelles, complémentaires ou de substitution, sont énoncées ci-après. [0029] Le système peut être une dispersion aqueuse ou organique de résine fluoroéthylènevinyléther réticulable, de préférence fonctionnalisée avec des groupements d'acide carboxylique neutralisé par une amine polymérique secondaire. [0030] Le système peut être une émulsion de résine fluoroéthylènevinyléther réticulable, de préférence fonctionnalisée avec des groupements d'oxyde d'éthylène. [0031] Le système peut être une résine fluoroéthylènevinyléther réticulable dissoute dans un solvant organique. [0032] Le système peut comprendre un durcisseur, de préférence du type polyisocyanate aliphatique. [0033] Le système peut comprendre des particules de lubrifiants solides. [0034] Lesdites particules de lubrifiants solides comportent des particules de lubrifiants d'au moins deux des classes 1, 2, 3 et 4. [0035] Le système peut comprendre un agent anticorrosion. [0036] Le système peut comprendre une cire de synthèse et/ou une huile. [0037] Le système peut comprendre des additifs de renfort. [0038] Le dépôt du système comportant la résine fluoroéthylènevinyléther peut être précédé d'une étape de préparation de surface choisie dans le groupe constitué par le 20 sablage, la phosphatation, les dépôts électrolytiques de CuZnSn. [0039] Des caractéristiques et avantages de l'invention sont exposés plus en détail dans la description ci-après, avec référence aux dessins annexés. [0040] La figure 1 est une vue schématique d'un joint résultant de l'assemblage par vissage de deux composants tubulaires. 25 [0041] La figure 2 est une vue schématique de la courbe de vissage de deux composants tubulaires filetés. [0042] La figure 3 est une composition chimique relative à l'invention. [0043] La figure 4 est une vue schématique d'une installation de test. [0044] La figure 5 est une vue schématique d'une autre installation de test. [0045] Le joint fileté représenté sur la figure 1, comprend un premier composant tubulaire d'axe de révolution 10 et doté d'une extrémité mâle 1 et un second composant tubulaire d'axe de révolution 10 et doté d'une extrémité femelle 2. Les deux extrémités 1 et 2 s'achèvent chacune par une surface terminale 7, 8 orientée radialement par rapport à l'axe 10 du joint fileté et sont respectivement dotées de zones filetées 3 et 4 qui coopèrent entre elles pour l'assemblage mutuel par vissage des deux composants. Les zones filetées 3 et 4 sont classiques en ce sens qu'elles peuvent être du type à filet trapézoïdal, autobloquantes, etc De plus, des surfaces d'étanchéité métal/métal 5,6 destinées à être en contact serrant étanche l'une contre l'autre après assemblage par vissage des deux composants filetés, sont ménagées entre les zones filetées 3, 4 et la surface terminale 7 de l'extrémité mâle 1. [0046] Au moins l'un des composant tubulaires filetés est revêtu sur au moins une partie de l'une des extrémités 1, 2 d'un film sec comprenant une matrice de fluorouréthane. Cette matrice de fluoro-uréthane est obtenue à partir de la réticulation de fluoroéthylène vinyl ether (FEVE), ledit FEVE faisant partie de la famille des fluoropolymères. L'utilisation de certains fluoropolymères en tant que revêtement sur une large variété de substrats est connue depuis les années 30. Ils sont caractérisés par une excellente résistance chimique, thermique et également par une excellente résistance à l'usure. Ces revêtements présentent un caractère non collant au toucher ainsi que des propriétés anticorrosion intéressantes. Ils incluent notamment le PVDF (Polyfluorure de vinylidène), le PTFE, le PFE (copolymère de tétrafluoroéthylene et d'héxafluoroéthylène) et le PFA (copolymère perfluoroalkyl vinyl ether). Toutefois leur utilisation est limitée du fait de l'obligation d'utiliser des solvants à haute température (> 200°C) pour former un film qui, in fine, n'offre qu'une faible énergie de surface et donc par conséquent une adhésivité faible vis-à-vis des métaux. [0047] En revanche, la Demanderesse a obtenu des performances tribologiques supérieures et ce, dans des conditions environnementales hostiles, en mettant en oeuvre des matrices de résines fluoroéthylènevinylether, ces matrices présentant un coefficient de frottement inférieur ou égal à 1,1 fois le coefficient de frottement du PTFE (lui-même compris entre 0,05 et 0,2). Des essais très concluants ont notamment été pratiqués sur des films à matrice fluoroéthylène vinyl ether réticulables conduisant à l'obtention d'un fluoro-uréthane. [0048] Tel que représenté sur la figure 3, le fluoroéthylènevinylether (FEUE) mis en oeuvre par la Demanderesse est un copolymère alterné réticulable destiné principalement au remplacement des Polyfluorures de vinylidène (PVDF) pour s'affranchir en particulier de l'utilisation de solvant notamment dans les revêtements d'architecture tels que les peintures marines par exemple et le « coil coating ». [0049] La structure chimique est particulièrement renforcée pour les propriétés recherchées ici. Le monomère fluoroéthylène contribue à renforcer la stabilité du fluoropolymère en apportant les propriétés de résistance à l'épreuve du temps (notamment aux conditions humides et corrosives, et aux UV), ainsi que des propriétés de dureté et de résistance chimique. L'atome de fluor du monomère permet simultanément, de par ses caractéristiques, de réduire la diffusion de l'eau ou des ions chlorure et de réduire le potentiel d'ionisation, ce qui permet une meilleure résistance aux acides et aux alcalins et ce qui permet de limiter la formation de radicaux libres. On obtient ainsi une meilleure résistance aux solvants et aux UV. [0050] Les propriétés apportées par les monomères Vinyl Ether sont fonction des groupements alkyle RI, R2 et R3 présents. Les caractéristiques des groupements alkyle sont pour RI la transparence, la brillance et la dureté du fluoropolymère, pour R2 la flexibilité du fluoropolymère et pour R3 ou fonction hydroxyle (-OH) l'adhésion. [0051] Il est à noter que R3 est le site de réticulation et de solubilité du fluoropolymère dans l'eau et dans les solvants organiques. [0052] Selon un mode de réalisation, le film sec est obtenu à partir d'un procédé comportant les étapes suivantes : - L'obtention d'une dispersion aqueuse comportant une résine fluoroéthylènevinyléther réticulable, - le dépôt du système sur au moins une portion de la zone filetée 3 ou 4 sur une épaisseur d'au moins 20 microns, - la réticulation de la résine fluoroéthylènevinyléther avec un durcisseur de type isocyanate polyfonctionnel hydrophile de type HDI, de type mélamine, de manière à obtenir un fluoro-uréthane. [0053] La dispersion dans l'eau est assurée par les groupements Vinyl Ether. Une partie de ces groupements sont fonctionnalisés par de l'acide carboxylique suite à la réaction d'un diacide anhydre sur un hydroxyle terminal. Ces fonctions acides sont ensuite neutralisées par une amine secondaire polymérique. La résine fluoroéthylènevinyléther peut être par exemple le LUMIFLON FD916 ou FD1000 commercialisée par AGC Chemicals. Le sel d'acide carboxylique qui en résulte est facilement dispersé dans l'eau déminéralisée. [0054] Cette dispersion aqueuse peut être réticulée à température ambiante (5°C minimum) comme à haute température (230°C maximum) en utilisant un durcisseur tel qu'un polyisocyanate aliphatique dispersible dans l'eau pour former un revêtement sec du type fluoro-uréthane. On peut utiliser par exemple le BAHYDUR 3100 commercialisé par la société BAYER. [0055] La quantité de durcisseur nécessaire à une réticulation optimale est déterminée pour un ratio NCO/OH très légèrement inférieur à 1 dans le revêtement final, c'est-à-dire que pour 100g de LUMIFLON FD916 en dispersion, il faut entre 10g et 14.7g de BAYHYDUR 3100. [0056] Les caractéristiques physico-chimiques d'une dispersion aqueuse du LUMIFLON FD916 sont regroupées dans le tableau ci-après : Caractéristiques physico-chimiques Valeurs Aspect Liquide laiteux blanc Teneur en solides (% poids) 40% ± 2% pH 7-9 Taille de particule (diamètre) 50-300 nm Température minimale de formation du film 27°C Indice d'acide (mg KOH/g de polymère) 15 Indice d'hydroxyle (mg KOH/g de polymère) 85 [0057] Avantageusement, l'ajout dans la matrice FEVE d'un tensio-actif siliconé de type polyether modifié polydiméthylsiloxane peut être effectué pour améliorer le mouillage du support. L'ajout d'un agent de coalescence à faible vitesse d'évaporation de type dipropylène glycol n-butyl éther, compris entre 2.5 et 10% en masse de l'extrait sec du Lumiflon FD916 et plus préférentiellement compris entre 2.5 et 5% en masse, est envisageable pour faciliter la coalescence par plastification externe des entités polymères, pour abaisser la température de formation du film et modifier la tension superficielle du milieu de dispersion pour faciliter l'étalement. [0058] Avantageusement, l'ajout dans la matrice FEVE d'une cire de synthèse et/ou d'une huile peut être effectué pour améliorer la filmabilité, et réduire le frottement. Les cires peuvent être en dispersion aqueuse et les huiles peuvent être en émulsion. [0059] L'application du mélange de FEVE et de durcisseur, dont la durée de stockage à l'air et à la température ambiante (25°C) n'excède pas 4 heures, peut être réalisée au moyen d'un système de pulvérisation pneumatique avec pistolet. Les températures du mélange et de la surface à revêtir doivent être de préférence voisines et de préférence comprise entre 20°C et 30°C. [0060] Avantageusement, un pré-séchage à la température d'application d'une durée de 5 minutes est également recommandé avant un séchage de 10 minutes avec une progression de la température comprise entre la température d'application et 80°C.
Un séchage final ou cuisson peut être effectué à 120°C pendant 15 minutes. [0061] La structure chimique du revêtement fluoro-uréthane après réticulation, et plus particulièrement thermo-réticulation du système FEVE est la suivante : [0062] L'épaisseur du film sec de fluoro-uréthane est comprise entre 30 et 60 25 microns. NCO 1 e NR CO H T.umj : P; 3yrr [0063] Des essais relatifs à l'adhésion d'un film sec de fluoro-uréthane ont été conduits de manière très satisfaisante sur des éprouvettes en acier au carbone revêtues au préalable d'un dépôt électrolytique Cu-Sn-Zn ainsi que sur des éprouvettes en acier au carbone ayant reçu au préalable un traitement classique de phosphatation au zinc. Notons que la préparation de surface par dépôt électrolytique Cu-Sn-Zn est conforme aux enseignements décrits dans la demande WO2008/108263 à laquelle le lecteur est invité à se reporter. [0064] Plus concrètement, des essais ont été conduits selon le test Scratch schématisé en figure 4. Ce test est dérivé du test Bowden et permet d'évaluer la force d'adhésion ou l'adhérence d'un revêtement sur une surface ou préparation de surface. La méthode consistant à cisailler et déformer un revêtement avec une bille sphérique soumise à une charge croissante, permet également de déterminer deux paramètres tribologiques importants qui sont le coefficient de frottement et la charge critique correspondant à l'apparition d'une décohésion du film. [0065] Les conditions expérimentales mettent en oeuvre un pion sphérique en Inconel 718 de diamètre 5 mm et une éprouvette métallique telle que décrite précédemment, ainsi que les paramètres suivants : une charge croissante de 10N à 310 N (avec une vitesse de 15 N/s), une vitesse de déplacement de la bille de 2 mm/s, une durée de 20 s et une longueur de la piste de 40 mm. Le coefficient de frottement mesuré est faible et compris entre p = 0,05 pour une charge de 5N et p = 0,09 pour une charge de 80N ; Il a été mesuré notamment à p = 0,06 pour une charge de 80N sur une préparation de surface de type dépôt électrolytique Cu-Sn-Zn. De plus le frottement du revêtement fluoro-uréthane est considéré comme très stable quelque soit la charge appliquée. Ainsi, pour des pressions de contact croissantes comprise entre 250 et 1,1 GPa (pressions de contact déterminées en tenant compte du module de Young de la préparation de surface et de celui du revêtement pour les faibles charges), on obtient un frottement de valeur constante, ce qui permet de conclure qu'une zone filetée sollicitée de manière non uniforme, répondra de manière uniforme en termes de frottement. Cette performance permet notamment d'atteindre des valeurs de couple d'accostage relativement basses concernant les joints en utilisant les films à matrice fluoro-uréthane. [0066] Les films à matrice fluoro-uréthane montre également un frottement particulièrement bas (p = 0,07) pour des pressions de contact élevées de l'ordre de 2,5 GPa contrairement à un revêtement époxyde et quelque soit la préparation de surface. Les films à matrice fluoro-uréthane limitent la probabilité d'un contact métal-métal durant le frottement quelle que soit la contrainte. [0067] La charge critique a également été déterminée selon le test Scratch avec les 5 résultats regroupés dans le tableau ci-après : Nom du produit Nature chimique Ech Ech Ech Ech A* A** B* B** (%) (%) (%) (%) LUMIFLON FD916 FEVE 88 88 - - BAYHYDUR 3100 HDI Polyisocyanate aliphatique 12 12 - - EPOTUF 37-143 Diglycidyléther du _ _ 50 50 Bisphénol-A EPOTUF 37-685 Diamine modifiée - - 50 50 Scratch test Charge critique : Lc (N) : >310 >310 >310 >310 * : Eprouvette acier carbone avec dépôt électrolytique Cu-Sn-Zn ** : Eprouvette acier carbone avec phosphatation zinc) [0068] Les films à matrice fluoro-uréthane présentent une excellente adhésion sur 10 l'acier carbone quelle que soit la nature de la préparation de surface (polaire ou apolaire), quelque soit la rugosité (Rz = 10 pm pour une phosphatation zinc, Rz = 3 pm pour le dépôt électrolytique Cu-Sn-Zn), et quelle que soit la porosité, au moins dans une large plage. [0069] Cette polyvalence dans l'adhérence comparativement à celle d'un revêtement 15 époxyde renforce l'intérêt de la présente invention. [0070] Concernant les résultats tribologiques relatifs aux films, la demanderesse a souhaité évaluer le comportement des films à matrice fluoro-uréthane lors d'une opération de vissage propre aux joints dits « premium ». Plus précisément, il s'est agit de simuler et d'évaluer le couple sur butée CSB, appelé aussi ToSR pour Torque on 20 Shoulder Resistance. Ce couple intervient lors des opérations de vissage propres aux joints ou connexion premium utilisés dans l'industrie du pétrole et représentées sur la figure 2. La courbe en figure 2 exprime le couple de vissage (ou serrage) en fonction du nombre de tours de rotation effectués. [0071] Comme on peut l'observer, un profil de couple de vissage de joints dits « premium » est décomposé en quatre parties. Une première partie P1 pendant laquelle les filets extérieurs de l'élément fileté mâle (ou « pin ») d'un premier composant d'un joint fileté tubulaire ne présentent pas encore de serrage radial avec les filets intérieurs de l'élément fileté femelle correspondant (ou « box ») d'un second composant de ce même joint fileté tubulaire. [0072] Une deuxième partie P2 pendant laquelle l'interférence géométrique des filets des éléments filetés mâle et femelle génère un serrage radial qui augmente au fur et à mesure du vissage (en générant un couple de vissage faible mais croissant). [0073] Une troisième partie P3 pendant laquelle une surface d'étanchéité en périphérie extérieure de la partie d'extrémité de l'élément fileté mâle interfère radialement avec une surface d'étanchéité correspondante de l'élément fileté femelle pour réaliser une étanchéité métal/métal. [0074] Une quatrième partie P4 pendant laquelle la surface frontale d'extrémité de l'élément fileté mâle est en butée axiale avec la surface annulaire d'une butée de vissage de l'élément fileté femelle. Cette quatrième partie P4 correspond à la phase terminale de vissage. Le couple de vissage CAB qui correspond à la fin de la troisième partie P3 et au début de la quatrième partie P4 est appelé couple d'accostage butée (ou « shouldering torque »). Le couple de vissage CP qui correspond à la fin de la quatrième partie P4 est appelé couple de plastification (ou « plastification torque »). [0075] Au-delà de ce couple de plastification CP, on considère que la butée de vissage mâle (partie d'extrémité de l'élément fileté mâle) et/ou la butée de vissage femelle (zone située derrière la surface annulaire de butée de l'élément fileté femelle) est l'objet d'une déformation plastique, laquelle peut dégrader les performances d'étanchéité du contact entre surfaces d'étanchéité par plastification également des surfaces d'étanchéité. La différence entre les valeurs des couple de plastification CP et couple d'accostage butée CAB est appelée couple sur butée (ou « torque on shoulder resistance ») CSB (CSB = CP û CAB). [0076] Un joint fileté tubulaire est l'objet d'un serrage optimal en fin de vissage, qui est le gage d'une résistance mécanique optimale de l'assemblage fileté, par exemple aux efforts de traction mais aussi au dévissage accidentel en service, et de performances optimales d'étanchéité. Le concepteur de joint fileté est ainsi amené à définir pour un type de joint fileté donné une valeur de couple optimal de vissage qui doit être, pour tous les assemblages de ce type de joint, inférieure au couple de plastification CP (pour éviter la plastification des butées et les inconvénients qui en résultent) et supérieure au couple d'accostage butée CAB. [0077] Une fin de vissage sous un couple inférieur à CAB ne permet en effet pas de garantir un positionnement relatif correct des éléments mâle et femelle et par là un serrage efficace entre leurs surfaces d'étanchéité. II y a de plus des risques de dévissage. La valeur effective du couple d'accostage butée CAB fluctue beaucoup d'un assemblage à l'autre pour un même type de joint car elle dépend des tolérances d'usinage diamétrales et axiales des filets et des surfaces d'étanchéité mâle(s) et femelle(s), et il convient que le couple optimal de vissage soit substantiellement plus élevé que le couple d'accostage butée CAB. Par conséquent, plus la valeur du couple sur butée CSB sera optimisée, plus on aura de marge pour définir le couple optimal de vissage, et plus le joint fileté sera résistant aux sollicitations en service. [0078] Des essais de frottement ont été effectués avec une machine de type Bridgman. Ce type de machine est notamment décrit dans l'article de D. Kuhlmann-Wilsdorf et al. «Plastic flow between Bridgman anvils under high pressures», J. Mater. Res., Vol. 6, N° 12, Dec 1991. [0079] Un exemple schématique et fonctionnel d'une machine de Bridgman est illustré sur la figure 5. Cette machine comprend : un disque DQ pouvant être entraîné en rotation selon des vitesses choisies, une première enclume EC1, de préférence de type conique, solidarisée fixement à une première face du disque DQ, une deuxième enclume EC2, de préférence de type conique, solidarisée fixement à une deuxième face du disque DQ, opposée à sa première face, des premier EP1 et second EP2 éléments de pression, comme par exemple des pistons, propres à exercer des pressions axiales choisies P, - une troisième enclume EC3, de préférence de type cylindrique, solidarisée fixement à une face du premier élément de pression EP1, une quatrième enclume EC4, de préférence de type cylindrique, solidarisée fixement à une face du second élément de pression EP2. [0080] Pour tester une composition de lubrification, on recouvre avec ladite composition deux morceaux d'un matériau identique à celui constituant un élément fileté, de manière à former des premier SI et second S2 échantillons. Puis, on intercale le premier échantillon SI entre les faces libres des première EC1 et troisième EC3 enclumes, et le second échantillon S2 entre les faces libres des deuxième EC2 et quatrième EC4 enclumes. Ensuite, on fait tourner le disque DQ à une vitesse choisie tout en appliquant une pression axiale choisie P (par exemple de l'ordre de 1,5 GPa) avec chacun des premier EP1 et second EP2 éléments de pression, et l'on mesure le couple de vissage subi par chaque échantillon SI, S2. [0081] La pression axiale, la vitesse de rotation et l'angle de rotation sont choisis dans l'essai Bridgman pour simuler la pression de Hertz et la vitesse relative des surfaces de butée en fin de vissage. [0082] Grâce à une telle machine, on peut fixer plusieurs paires différentes de paramètres (couple de vissage, vitesse de rotation) pour imposer des couples de vissage déterminés pour les échantillons SI et S2, et ainsi vérifier si ces échantillons S1 et S2 suivent à peu près un profil de couple de vissage donné, et notamment s'ils permettent l'obtention d'un nombre de tours parcourus avant grippage au moins égal à une valeur seuil choisie par rapport aux couples de vissage choisis. [0083] Dans le cas présent la pression de contact choisie est de 500 MPa et la vitesse de rotation est de 10 rpm. Les échantillons testés sont en acier inoxydable à 13% de Cr, usinés puis revêtus de différentes formulations de revêtements secs, listés dans le tableau ci-après avec l'évaluation du couple de la résistance à l'accostage, (ToSR ou CSB).
Nom du produit Nature chimique Ech A Ech B Ech C ( /o) (%) (%) LUMIFLON FD916 FEVE 88 - - BAYHYDUR 3100 HDI Polyisocyanate aliphatique 12 - - EPOTUF 37-143 Diglycidyléther du _ 50 - Bisphénol-A EPOTUF 37-685 Diamine modifiée - 50 - Araldite Epoxy à deux composants - - 100 (colle BOSTIK) Bridgman ToSR ToSR 232% 232% 155% [0084] La valeur de couple sur butée des films à matrice fluoro-uréthane est largement supérieure à la valeur de référence de 100% de la graisse API 5A3. Elle est également comparable à celle de l'araldite ou résine époxydique durcie [0085] Avantageusement, il est possible d'améliorer les propriétés de résistance vis- à-vis de la corrosion des films à matrice fluoro-uréthane au moyen d'inhibiteurs de corrosion intégrés à la matrice FEVE. De manière plus précise, les propriétés de résistance aux conditions climatiques des films à matrice fluoro-uréthane ont été étudiées à travers la protection anticorrosion offerte par le revêtement au moyen du test au brouillard salin. La protection anticorrosion a été testée pour un film à matrice fluoro-uréthane avec et sans pigments inhibiteur de corrosion. II s'est agi de déterminer l'effet barrière du revêtement fluoro-uréthane et également de définir les meilleures compatibilités entre les inhibiteurs de corrosion pigmentaires ou non et le fluorouréthane. [0086] Les inhibiteurs de corrosion étudiés sont : Zinc calcium strontium orthophosphosilicate, calcium phosphosilicate, calcium borosilicate, zinc lamellaire, amine d'acide gras complexe, sol-gel hybride. [0087] Les tableaux ci-après concernent l'évaluation d'une surface en acier carbone avec dépôt électrolytique Cu-Sn-Zn revêtue d'un film à matrice fluoro-uréthane chargé en divers inhibiteurs de corrosion.
Nom du produit Nature chimique Ech A Ech B Ech C Ech D Ech E (%) (%) (%) (%) (%) LUMIFLON FEVE 88 81 85 85 83 FD916 BAHYDUR Polyisocyanate 12 11 11.5 11.5 11 3100 aliphatique HDI Arcot 785 Sulfonate et calcinate - 8 - - de calcium suralcalinisÉ Halox 570 Amine d'acide gras _ _ 3.5 - - complexe Halox SZP391 Strontium zinc calcium - - - - 6 orthophosphosilicate Brouillard salin Apparition de la 168 132 264 504 >1008 (ISO 9227) corrosion après exposition (heures): Nom du produit Nature chimique Ech Ech F Ech G Ech H p A (%) (%) (%) (%) LUMIFLON FEVE 88 82.5 86.5 87 FD916 BAHYDUR Polyisocyanate aliphatique 12 11 12 12 3100 HDI Halox CW491 Calcium phosphosilicate - 6.5 - - Halox 550WF Sol-gel hybride (à base - - 1.5 .. d'ester silicone) GTT flakes Zinc lamellaire - - - 1 Brouillard salin Apparition de la corrosion 168 >1008 384 216 (ISO 9227) après exposition (heures): [0088] La protection anticorrosion des films à matrice fluoro-uréthane est considérablement améliorée en utilisant des pigments inhibiteurs de corrosion de type strontium zinc calcium orthophosphosilicate et calcium phosphosilicate pour obtenir une résistance à la corrosion de la surface supérieure à 1000 heures selon la norme ISO 9227 sans point de rouille, ni cloquage, ni décollement. [0089] Parallèlement, la résistance à l'eau a été évaluée au moyen du test d'immersion (éprouvette acier carbone avec phosphatation zinc revêtue par un film à matrice fluoro-uréthane) dans de l'eau déminéralisée à 40°C pendant 168 heures. Les résultats montrent une excellente résistance à l'eau lorsque ledit revêtement est renforcé par une dispersion aqueuse de cire de paraffine commercialisée par MICROPOWDERS sous la dénomination AQUABEAD 325E. L'ajout de la dispersion aqueuse de cire de paraffine est compris entre 3 et 5% en masse par rapport à l'extrait sec de la dispersion aqueuse de LUMIFLON FD916. A noter que l'ajout de cire de paraffine à une concentration de 5% en extrait sec par rapport au Lumiflon FD916 améliore significativement le frottement et la résistance à l'usure avec ou sans charges pigmentaires de type lubrifiants solides, soit p = 0.06 contre 0.08-0.1 [0090] De même, il est possible d'intégrer à la matrice FEVE des lubrifiants solides. On entend ici par « lubrifiant solide » un corps solide et stable qui en s'intercalant entre deux sur-faces de frottement permet d'abaisser le coefficient de frottement et de réduire l'usure et l'endommagement des surfaces. Ces corps peuvent être classés en différentes catégories définies par leur mécanisme de fonctionnement et leur structure, soit : - La classe 1 : corps solides devant leurs propriétés lubrifiantes à leur structure cristalline, par exemple le graphite, l'oxyde de zinc (ZnO) ou le nitrure de bore (BN), - La classe 2 : corps solides devant leurs propriétés lubrifiantes d'une part à leur structure cristalline et d'autre part à un élément chimique réactif de leur composition, par exemple le disulfure de molybdène MoS2, le fluorure de graphite, les sulfures d'étain, les sulfures de bismuth, ou le disulfure de tungstène, le fluorure de calcium, - La classe 3 : corps solides devant leurs propriétés lubrifiantes à leur réactivité chimique, par exemple certains composés chimiques de type thiosulfates, ou le Desilube 88 ® commercialisé par Desilube Technologies Inc., La classe 4: corps solides devant leurs propriétés lubrifiantes à un comportement plastique ou viscoplastique sous contrainte de frottement, par exemple le polytétrafluoréthylène (PTFE), les polyamides... [0091] II est à noter également la catégorie particulière des fullerènes, classée en tant que sous classe de la classe 1. Il est rappelé que les fullerènes sont des molécules de forme sphérique ou tubulaire, en structure monocouche ou multicouches, ayant des propriétés d'abaissement du frottement et génératrices de films de transfert stables sur les surfaces en frottement. On pourra notamment utiliser, par exemple, les fullerènes de carbone ou les fullerènes de type disulfures métalliques. [0092] On peut également préconiser l'utilisation combinée d'au moins deux lubrifiants solides appartenant à des classes différentes qui permet d'obtenir des synergies et donc des performances de lubrification très élevées. [0093] Avantageusement, on peut intégrer à la matrice FEVE des additifs pour renforcer les propriétés mécaniques tels que des carbures ou bien de nitrures de Titane, ou bien des particules nanométriques minérales (Alumine, Silice) de manière à augmenter la résistance au frottement de la couche minérale en ajustant le coefficient de frottement. [0094] D'autres procédés de revêtement intégrant un système basé sur une résine fluoroéthylènevinyléther peuvent être également mis en oeuvre. Le système peut par exemple consister en une émulsion de résine fluoroéthylènevinyl éther réticulable, de préférence fonctionnalisée avec des groupements d'oxyde d'éthylène. Le système peut aussi consister en une résine fluoroéthylènevinyléther réticulable dissoute dans un solvant organique, comme par exemple les hydrocarbures aromatiques, les cétones, les carbonates, .... [0095] L'application des films à matrice fluoro-uréthane concerne non seulement les zones filetées des joints ou connexion utilisés dans l'exploration ou l'exploitation des puits d'hydrocarbures, mais aussi les zones d'étanchéité de ces joints. En effet, ces zones sont souvent soumises à des contraintes de Hertz élevées du fait de l'interférence (le diamètre du composant tubulaire mâle est légèrement supérieur au diamètre du composant tubulaire femelle dans les zones d'interférence de manière créer des surfaces étanches) et par conséquent sont aussi sujettes au grippage. [0096] En conclusion, les films à matrice fluoro-uréthane basés notamment sur la réticulation de résines fluoroéthylènevinyléther fonctionnalisées présentent des performances remarquables en frottement, car elles sont équivalentes voire supérieures à celles d'un revêtement époxyde. Le procédé associé et basé sur la dispersion aqueuse réticulable des résines fluoroéthylènevinyléther présente l'avantage d'être plus simple à mettre en oeuvre que les procédés associés aux revêtements bi-composants ou multi-couches. [0097] De même, les films à matrice fluoro-uréthane combinent dans une seule couche lubrifiante les propriétés de dureté d'un revêtement thermodurcissable et les propriétés d'un lubrifiant déformable sous contrainte élevée comme le PTFE sans les inconvénients d'une application multi-couche. [0098] De même, les performances des films à matrice fluoro-uréthane sont à comparer avec les solutions classiques employées dans le domaine du «téflonnage» sans les inconvénients de dégagements de solvant à bas point d'ébullition ou l'utilisation de température de cuisson excessive ni ceux d'une tenue mécanique limitée.15

Claims (21)

  1. REVENDICATIONS1. Composant tubulaire fileté résistant au grippage pour le forage ou l'exploitation des puits d'hydrocarbures, ledit composant tubulaire présentant en l'une de ses extrémités (1;
  2. 2) une zone filetée (3; 4) réalisée sur sa surface périphérique extérieure ou intérieure selon que l'extrémité filetée est du type mâle ou femelle, caractérisé en ce qu'au moins une portion de l'extrémité (1; 2) est revêtue d'un film sec comprenant une matrice de fluoro-uréthane. 2. Composant tubulaire fileté résistant au grippage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice de fluoro-uréthane est obtenue par réticulation du fluoroéthylènevinyléther.
  3. 3. Composant tubulaire fileté résistant au grippage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des particules de lubrifiants solides sont dispersées dans la matrice.
  4. 4. Composant tubulaire fileté résistant au grippage selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites particules de lubrifiants solides comportent des particules de lubrifiants d'au moins deux des classes 1, 2, 3 et 4.
  5. 5. Composant tubulaire fileté résistant au grippage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un agent anticorrosion est intégré à la matrice.
  6. 6. Composant tubulaire fileté résistant au grippage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une cire de synthèse et/ou une huile est (sont) intégrées à la matrice.
  7. 7. Composant tubulaire fileté résistant au grippage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des additifs pour renforcer les propriétés mécaniques sont intégrés à la matrice.
  8. 8. Composant tubulaire fileté résistant au grippage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que toute la zone filetée (3 ; 4) est revêtue du film sec.
  9. 9. Composant tubulaire fileté résistant au grippage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une surface d'étanchéité métal/métal, ladite surface d'étanchéité étant revêtue du film sec.
  10. 10. Joint fileté tubulaire comprenant un composant tubulaire fileté mâle et un composant tubulaire fileté femelle vissés l'un dans l'autre, caractérisé en ce que l'un au moins desdits composants tubulaires filetés est conforme à l'une des revendications précédentes.
  11. 11. Procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté résistant au grippage pour le forage ou l'exploitation des puits d'hydrocarbures, ledit composant tubulaire présentant en l'une de ses extrémités (1 ; 2) une zone filetée (3 ; 4) réalisée sur sa surface périphérique extérieure ou intérieure selon que l'extrémité filetée est du type mâle ou femelle, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes suivantes : L'obtention d'un système comportant une résine fluoroéthylènevinyléther réticulable, le dépôt du système sur au moins une portion de la zone filetée (3 ; 4) sur une épaisseur d'au moins 20 microns, la réticulation de la résine fluoroéthylènevinyléther de manière à obtenir un fluoro-uréthane.
  12. 12. Procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté selon la revendication 11, caractérisé en ce que le système est une dispersion aqueuse ou organique de résine fluoroéthylènevinyléther réticulable, de préférence fonctionnalisée avec des groupements d'acide carboxylique neutralisé par une amine polymérique secondaire.
  13. 13. Procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté selon la revendication 11, caractérisé en ce que le système est une émulsion de résine fluoroéthylènevinyléther réticulable, de préférence fonctionnalisée avec des groupements d'oxyde d'éthylène.
  14. 14. Procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté selon la revendication 11, caractérisé en ce que le système est une résine fluoroéthylènevinyléther réticulable dissoute dans un solvant organique.
  15. 15. Procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté résistant au grippage, selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que le système comprend un durcisseur, de préférence du type polyisocyanate aliphatique.
  16. 16. Procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté résistant au grippage, selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que le système comprend des particules de lubrifiants solides.
  17. 17. Procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté résistant au grippage, selon la revendication 16, caractérisé en ce que lesdites particules de lubrifiants solides comportent des particules de lubrifiants d'au moins deux des classes 1, 2, 3 et 4.
  18. 18. Procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté résistant au grippage, selon l'une quelconque des revendications 11 à 17, caractérisé en ce que le système comprend un agent anticorrosion.
  19. 19. Procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté résistant au grippage, selon l'une quelconque des revendications 11 à 18, caractérisé en ce que le système comprend une cire de synthèse et/ou une huile.
  20. 20. Procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté résistant au grippage, selon l'une quelconque des revendications 11 à 19, caractérisé en ce que le système comprend des additifs de renfort.
  21. 21. Procédé de revêtement d'un composant tubulaire fileté résistant au grippage, selon l'une quelconque des revendications 11 à 20, caractérisé en ce qu'on effectue, avant le dépôt du système comportant la résine fluoroéthylènevinyléther, une étape de préparation de surface choisie dans le groupe constitué par le sablage, la phosphatation, les dépôts électrolytiques de CuZnSn.
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