FR3029593A1 - Composant tubulaire a butee helicoidale - Google Patents

Abstract

l'invention a pour objet un composant (1) tubulaire de garniture de forage comprenant un élément d'extrémité (2 ; 3) présentant un axe de révolution (XX) et pourvu d'un filetage s'étendant autour de l'axe de révolution (XX), l'élément d'extrémité (2 ; 3) étant adapté pour être assemblé par vissage à un élément d'extrémité homologue (103 ; 102) d'un autre composant (101) tubulaire et pourvu d'un filetage complémentaire, l'élément d'extrémité (2 ; 3) comprenant au moins une butée (15, 18) agencée de manière à venir en contact avec une butée (125, 128) homologue de l'autre composant (101) en fin de vissage, et tel que ladite butée (15, 18) comprend au moins une surface hélicoïdale (35 ; 38 ; 45 ; 48) avec un axe d'hélice confondu avec l'axe de révolution (XX).

Description

1 Composant tubulaire à butée hélicoïdale La présente invention concerne un composant tubulaire destiné à être assemblé par vissage à un composant analogue pour former une tubulure jointive. L'invention trouve 5 avantageusement son utilité pour réaliser une garniture, formée de tiges de forage («drill pipes »), de tiges lourdes (« heavy weight drill pipes ») et de masses-tiges («drill collars »), apte à être régulièrement montée et démontée. Une telle garniture peut notamment être utilisée entraînée en rotation pour permettre le forage de puits d'hydrocarbures. Alternativement de tels composants tubulaires peuvent également être 10 utilisés dans une colonne montante sous-marine (« drill pipe riser ») ou encore une colonne de production (« riser ») pour l'exploitation de tels puits. Chaque composant tubulaire comporte au moins un élément d'extrémité, mâle ou femelle, fileté. Généralement, un composant tubulaire comporte un élément d'extrémité 15 fileté mâle et un élément d'extrémité fileté opposé femelle. L'élément d'extrémité fileté est destiné à être vissé avec un élément d'extrémité fileté complémentaire d'un autre composant. Ainsi assemblés, les deux éléments d'extrémité des deux composants forment un joint, ou connexion. 20 Les composants tubulaires filetés sont assemblés sous des contraintes maîtrisées répondant aux exigences de serrage, et parfois d'étanchéité, dépendantes des conditions d'utilisation. Généralement, un élément d'extrémité fileté d'un joint comprend au moins une butée axiale activée en fin de vissage et serrée contre une surface homologue par l'application d'un couple de vissage prédéterminé. Le couple de vissage appliqué en fin 25 de serrage est appelé couple sur butée (« torque on shoulder »), car il correspond au couple nécessaire à l'activation des butées axiales. Lorsque deux composants sont vissés l'un avec l'autre, l'application d'un couple sur butée trop faible, par exemple par suite d'un arrêt prématuré du vissage, forme un 30 assemblage non conforme aux spécifications. Les risques de décrochage par saut de filet («jump-out») ou dévissages accidentels sont alors élevés. Avant même un décrochage, 3029593 2 des pertes d'étanchéité peuvent également apparaître. Un serrage insuffisant favorise une usure rapide des connexions, et des difficultés de dévissage volontaire. L'application d'un couple sur butée trop élevé, par exemple par suite d'un sur-vissage, conduit aussi à un assemblage non conforme aux spécifications. Des parties du composant risquent de subir des déformations plastiques et des détériorations dès le sur-vissage. Les coopérations prévues entre les diverses surfaces de chacun des composants ne sont alors plus assurées. Le comportement de la jonction devient difficilement prévisible. De telles dégradations sont difficilement réparables.

Pour limiter ces risques, il est courant de déterminer un couple sur butée supérieur nominal au couple d'accostage sur butée (« shouldering torque ») et inférieur au couple de plastification (« yielding torque »). Le respect du couple sur butée nominal et de sa plage de tolérance est le gage d'une résistance mécanique satisfaisante du joint aux conditions d'utilisation prévues. Le respect de cette plage limite les risques de dysfonctionnement. Les limites de la plage du couple sur butée admissibles varient pour chaque configuration de composant. Les valeurs nominales de telles limites dépendent des dimensions des composants, et notamment des épaisseurs de parois qui varient en fonction des applications prévues.

En pratique, les vissages/dévissages sont réalisés sur site dans des conditions difficiles, par exemple sur des plateformes en mer. Les conditions réelles du vissage peuvent s'éloigner des conditions théoriques d'un laboratoire.

Dans les applications visées par la présente invention, un élément d'extrémité fileté d'un joint peut comprendre deux butées axiales distantes axialement, respectivement internes et externes, activées en fin de vissage et serrée contres des surfaces homologues par l'application d'un couple de vissage nominal prédéterminé. Le couple de vissage prédéterminé pour ces joints est augmenté par le doublement des surfaces mises en butée.

3029593 3 Les puits à forer étant de plus en plus compliqués, et de plus en plus longs, le couple exercé sur les composants tubulaires en amont est d'autant plus important que la distance entre ces composants tubulaires amont et des composants tubulaires aval est grande. L'invention vient améliorer la situation en proposant des composants tubulaires 5 qui permettent de résister à de plus fortes contraintes opérationnelles, en proposant un couple de vissage nominal plus élevé que celui des connexions existantes, sans augmenter ni le dimensionnement externe du joint, ni le poids de la colonne. Par ailleurs, un autre avantage de l'invention est de proposer un élément d'extrémité et notamment une butée dont l'intégrité est maintenue tout au long de son utilisation, et 10 dont l'étanchéité aux liquides est assurée même après plusieurs dévissages-vissages. À épaisseur de paroi identique, un composant tubulaire selon l'invention présente au moins une butée dont les surfaces actives sont plus étendues que celles des composants tubulaires connus. La configuration selon l'invention permet de ne pas augmenter les 15 pressions de contact locales, prévenant ainsi la plastification et garantissant le maintien des butées sous tension et donc étanche même en opération. À couple de serrage supérieur, les pressions de contact sur les surfaces de butée selon l'invention subissent des contraintes par unité de surface identiques à celles de surfaces 20 annulaires ou en couronne classiques. Le couple de serrage au-delà duquel des phénomènes de plastification peuvent apparaître est ainsi plus élevé. A cet effet, l'invention a pour objet un composant tubulaire de garniture de forage comprenant un élément d'extrémité présentant un axe de révolution et pourvu d'un 25 filetage s'étendant autour de l'axe de révolution, l'élément d'extrémité étant adapté pour être assemblé par vissage à un élément d'extrémité homologue d'un autre composant tubulaire et pourvu d'un filetage complémentaire, l'élément d'extrémité comprenant au moins une butée agencée de manière à venir en contact avec une butée homologue de l'autre composant en fin de vissage, tel que ladite butée comprend au 30 moins une surface hélicoïdale avec un axe d'hélice confondu avec l'axe de révolution.

3029593 4 Selon un autre aspect, la Demanderesse propose un joint comprenant deux éléments d'extrémité de deux composants distincts tels que défini ci-avant. Les deux composants sont assemblés l'un avec l'autre par vissage de l'élément d'extrémité du premier composant avec l'élément d'extrémité homologue du second composant.

5 Le composant peut présenter les caractéristiques optionnelles suivantes, seules ou en combinaison les unes avec les autres. En particulier, le filetage présente un angle de filet tel que la ou les surfaces hélicoïdales 10 peuvent présenter un angle d'hélice inférieur ou égal à l'angle de filet du filetage. Avantageusement, l'angle d'hélice peut être compris entre 0,5° et 7°. Notamment, une somme des portions angulaires autour de l'axe de révolution, sur lesquelles s'étend la surface hélicoïdale, peut être comprise entre 180° et 360°.

15 En conséquence de l'existence de la surface hélicoïdale, l'élément d'extrémité comprend en outre un épaulement circonférentiel relié à l'une au moins des extrémités circonférentielles de ladite surface hélicoïdale.

20 En particulier, cet épaulement circonférentiel peut comprendre au moins une surface sensiblement plane et dont le plan forme un angle avec l'axe de révolution compris entre 0° et 75°. Notamment, l'épaulement circonférentiel peut comprendre au moins une surface sensiblement plane et dont le plan peut être parallèle à l'axe de révolution ou confondu avec l'axe de révolution.

25 Selon différents modes de réalisation, l'épaulement circonférentiel peut être relié à la surface hélicoïdale par un congé de raccordement ou un plan incliné. En particulier, lorsqu'il y a congé de raccordement, celui-ci peut présenter un rayon de courbure compris entre 0,5 et 10,0 millimètres.

30 Avantageusement, l'élément d'extrémité peut comprendre deux butées, une butée interne et une butée externe, chacune des deux butées comprenant au moins un 3029593 5 épaulement circonférentiel Alternativement, l'élément d'extrémité peut comprendre ces deux butées, respectivement la butée interne et la butée externe, de telle sorte que seule la butée externe est pourvue d'une surface hélicoïdale.

5 En particulier, l'élément d'extrémité peut comporter une unique surface hélicoïdale, localisée sur une unique butée, interne ou externe, à distance du filetage. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : 10 - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale partielle de deux composants selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un élément d'extrémité mâle d'un composant selon l'invention ; 15 - la figure 3 est une vue en perspective d'une variante de réalisation d'un élément d'extrémité mâle d'un composant selon l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective d'un élément d'extrémité femelle d'un composant selon l'invention, homologue de celui de la figure 3 ; - les figures 5 à 8 sont des vues en perspective de variantes de réalisation d'un détail 20 d'un élément d'extrémité d'un composant selon l'invention ; - les figures 9, 10 et 11 sont des vues en perspective de variantes de réalisation d'un élément d'extrémité mâle d'un composant selon l'invention ; - la figure 12 est une autre variante de réalisation d'un élément d'extrémité mâle pourvu de trois surfaces hélicoïdales selon l'invention.

25 Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.

30 Un premier composant 1 tubulaire et un second composant 101 tubulaire sont représentés en figure 1. Les composants 1 et 101 présentent une forme généralement de révolution autour d'un axe de révolution XX. Sur la figure 1, les composants 1 et 101 3029593 6 sont alignés l'un avec l'autre. Les axes de révolution XX sont donc confondus. La direction de l'axe de révolution XX est dite axiale. Pour faciliter la compréhension, les références numériques du second composant 101 5 sont supérieures à 100. Chacun des composants 1 et 101 comprend un élément d'extrémité 2, respectivement 103. Ici, le premier composant 1 comprend un élément d'extrémité mâle 2 (ou «pin ») tandis que le second composant tubulaire 101 comprend un élément d'extrémité femelle 103 (ou « box »). Les composants 1 et 101 comprennent chacun une portion courante de tube 9, respectivement 109. La portion courante de tube 10 9 est solidaire de l'élément d'extrémité mâle 2, et également solidaire à une extrémité opposée d'un deuxième élément d'extrémité femelle (non représenté) identique à l'élément d'extrémité femelle103. De même, La portion courante de tube 109 est solidaire de l'élément d'extrémité femelle 103, et également solidaire à une extrémité opposée d'un autre élément d'extrémité mâle (non représenté) identique à l'élément 15 d'extrémité mâle 2. Les portions courantes de tube 9 et 109 des deux composants 1 et 101 sont similaires l'une à l'autre. Les composants tubulaires 1 et 101 sont de structure et de matériau étanches. En particulier, les composants tubulaires forment des structures métalliques, 20 en particulier réalisées en acier ou inconel. Par exemple, le grade du matériau est de l'ordre de 130 ksi, présentant une limité d'élasticité entre 120 000 et 140 000 psi ; mais il peut également être choisi parmi les grades supérieures autour de 140 ksi, 150 ksi et 165 ksi, tout comme parmi des grades d'acier inférieurs tels que ceux définis autour de 80 ksi ou 95 ksi ou encore 110 ksi. Les éléments d'extrémités 2 et 103 peuvent être 25 réalisés dans un matériau identique ou distinct de celui des tubes 9 et 109. Ici, les éléments d'extrémité, notamment 2 et 103 présentent une configuration conforme à la norme API-7 ou API-RP-7G ou encore ISO-10407-1. Dans des variantes, les éléments d'extrémité 2 et 103 présentent une configuration propriétaire, par exemple 30 commercialisée sous la marque VAM® Express, ou encore telle que décrite dans les publications WO- 2006/092649 ou WO-2012/089305.

3029593 7 La portion courante 9 est de forme généralement cylindrique et présente une longueur comprise entre 5 à 15 mètres pour des composants longs, par exemple des tiges de forage, et de 1 à 5 mètres pour des composants courts, par exemple des inserts d'usure utilisés en tête de puits. Le diamètre intérieur est, par exemple, compris entre 25 et 400 5 millimètres tandis que le diamètre extérieur est compris entre 50 et 500 millimètres. Le composant 1 peut être obtenu par soudage par friction des éléments d'extrémité à l'une et l'autre des extrémités d'un tube formant la portion courante 9. Le même mode de réalisation peut être employé pour le composant 101. Dans de tels cas, les extrémités 10 de la portion courante 9 peuvent au préalable être forgées, refoulées ou rengraissées de manière à agrandir la surface radiale de métal. Comme représenté Figure 1, un plan de soudure respectivement 5, 105 est formé à la jonction entre les portions courantes de tube 9 et 109 avec respectivement les éléments d'extrémité 2 et 103. Alternativement, le composant tubulaire peut être intégral, à savoir sans soudure, obtenu d'un seul même 15 bloc. Sur les figures 2 à 8, les portions courantes 9, 109 ne sont pas représentées. Les éléments d'extrémité 2, 103 sont de forme générale tubulaire. Les éléments d'extrémité 2, 103 portent une surface extérieure 11, respectivement 121, sensiblement cylindrique.

20 Les éléments d'extrémité 2, 103 portent une surface intérieure 17, respectivement 127, ou alésage, sensiblement cylindrique. De manière générale, les surfaces de révolution des composants 1 et 101 sont 25 sensiblement concentriques et de centre appartenant à l'axe de révolution XX. Les épaisseurs des parois des composants 1, 101 sont sensiblement homogènes dans la circonférence, excepté au niveau des éléments d'extrémité. En utilisation, les composants 1 sont manipulés au moyen de mâchoires. Les mâchoires 30 viennent maintenir les composants 1 par leurs éléments d'extrémité 2 ou 103. Les éléments d'extrémité 2 et 103 sont mieux à même de supporter les contraintes appliquées, en particulier lors d'opérations de vissage/dévissage. En particulier, les 3029593 8 surfaces extérieures de contact 11, respectivement 121 présentent localement un diamètre extérieur extremum destiné à être mis dans les mors d'une clé de vissage assurant le couple de serrage final du joint à former. Cette surface extérieure de contact est celle qui sera amenée en frottement contre les parois du puits lors de la mise en 5 rotation de la garniture de forage. Il est maintenant fait référence aux figures 1, 2 et 3 représentant trois modes de réalisation d'un élément d'extrémité mâle 2 d'un composant 1. L'élément d'extrémité mâle 2 comprend une surface extérieure sensiblement tronconique 12 dans laquelle est 10 ménagé au moins un filetage extérieur, dit filetage mâle. L'élément d'extrémité 2 comprend en outre une surface d'extrémité 13, et une surface centrale 16. La surface extérieure tronconique 12 est située axialement entre la surface d'extrémité 13 et la surface centrale 16. La surface d'extrémité 13 et la surface centrale 16 sont dépourvues de filetage. Dans l'exemple représenté, la surface d'extrémité 13 et la surface centrale 15 16 présentent un profil sensiblement cylindrique. Dans l'exemple représenté, la surface extérieure tronconique 12 présentant le filetage comporte un filetage présentant un simple départ de filet.

20 La surface d'extrémité 13 se raccorde à une surface 15 s'étendant sensiblement selon l'épaisseur de l'élément d'extrémité 2, sensiblement perpendiculairement à la surface d'extrémité 13. Cette surface forme une butée 15. La butée 15 définit l'extrémité libre de l'élément d'extrémité 2 du composant 1 à l'état non assemblé. Cette butée 15 se raccorde intérieurement à une surface intérieure 17 sensiblement cylindrique. La butée 25 15 est dite butée interne mâle. La surface centrale 16 se raccorde à la surface extérieure de contact 11, par une surface s'étendant sensiblement selon une partie de l'épaisseur de l'élément d'extrémité 2. Cette surface forme une butée 18. La butée 18 forme un épaulement extérieur de l'élément 30 d'extrémité 2 du composant 1. La butée 18 est dite butée externe mâle.

3029593 9 Avantageusement, au moins l'une de la butée interne 15 et de la butée interne 18 présente une surface hélicoïdale. Dans le cas où l'élément d'extrémité 2 présente une unique surface hélicoïdale, cette surface hélicoïdale est avantageusement réalisée sur la butée externe 18, comme c'est le cas avec la surface hélicoïdale 38 sur la Figure 2.

5 La surface hélicoïdale 38 est définie par un axe d'hélice confondu avec l'axe de révolution XX. Le sens de l'hélice de la surface hélicoïdale 38 correspond à celui du filetage de la surface extérieure tronconique 12. La surface hélicoïdale 38 présente un angle d'hélice référencé a (Alpha). Le filetage de la surface extérieure tronconique 12 10 présente un angle de filet référencé p (Beta). L'angle d'hélice a de la surface hélicoïdale 38 est dans cet exemple égal à l'angle de filet p du filetage. La surface hélicoïdale 38 est, par définition, non plane. Selon un autre point de vue, la surface hélicoïdale 38 définit une surface dont la position varie le long de la direction 15 axiale en fonction de la portion angulaire considérée, ou secteur angulaire, du composant 1. Sur la figure 2, la butée externe 18 est reliée par un chanfrein annulaire 20 à la surface extérieure 11.

20 En variante, Figure 3, l'élément d'extrémité 2 est représenté avec deux surfaces hélicoïdales, telles que la butée interne 15 comprend une surface hélicoïdale 35 et la butée externe 18 comprend la surface hélicoïdale 38. Figure 3, la butée externe 18 est dépourvue de chanfrein 20.

25 Dans les modes de réalisation des figures 2 et 3, chaque portion angulaire de la surface hélicoïdale 38 s'étend selon une direction radiale, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe de révolution XX. Autrement dit, le profil de la surface hélicoïdale 38, vu selon une coupe longitudinale passant par l'axe de révolution XX, peut être représenté par un segment 30 droit orienté selon une direction radiale. La largeur de la surface hélicoïdale 38 est alors sensiblement égale à la distance radiale de la butée externe 18. Un raisonnement analogue s'applique à la surface hélicoïdale relativement à la butée interne 15.

3029593 10 Dans des variantes non représentées, le profil de la surface hélicoïdale 38 peut être droit et présenter une inclinaison non nulle par rapport à une direction radiale. Dans ce cas la surface hélicoïdale 38 présente une configuration généralement tronconique. La largeur 5 de la surface hélicoïdale 38 est alors sensiblement supérieure à l'épaisseur radiale de la butée externe 18. Dans d'autres variantes, le profil de la surface hélicoïdale 38 peut être courbe, par exemple concave ou convexe. La largeur de la surface hélicoïdale 38 est alors sensiblement supérieure radiale de la butée externe 18.

10 Dans les modes de réalisation des figures 2 et 3, les surfaces hélicoïdales 35 et 38 s'étendent sur toute la circonférence de leur butée respectivement, soit environ 360°. L'angle d'hélice a des surfaces hélicoïdales 35 et 38 sont sensiblement identiques. Dans cet exemple, l'angle d'hélice a est sensiblement égal à l'angle de filet p du filetage de la surface extérieure tronconique 12. L'angle d'hélice a de la surface hélicoïdale 38 est par 15 exemple compris entre 0,5° et 7°. La présence des surfaces hélicoïdales 35 et 38 induit la formation sur chacune des butées 15 et 18 d'un épaulement circonférentiel 36 et respectivement 39. Les deux épaulements circonférentiels peuvent être sensiblement plans formant chacun un plan 20 comportant l'axe XX Ils peuvent être conçus dans un même plan. La butée externe 18 de l'élément d'extrémité 2 comprend donc l'épaulement circonférentiel 39. L'épaulement circonférentiel 39 s'étend sur une position axiale de l'élément d'extrémité 2 identique à celle sur laquelle s'étend la surface hélicoïdale 38.

25 Lorsque la surface hélicoïdale 38 est de 360°, l'épaulement circonférentiel 39 relie les deux extrémités circonférentielles de la surface hélicoïdale 38 l'une à l'autre. La figure 5 montre en détail l'épaulement circonférentiel 36 du mode de réalisation des la figure 3. Les deux extrémités circonférentielles de la surface hélicoïdale 35 étant 30 alignées selon la direction axiale, l'épaulement circonférentiel 36 présente, ici, une composante circonférentielle nulle. Dans l'exemple des Figures 2 et 3, les extrémités circonférentielles de la surface hélicoïdale 38 sont alignées selon la direction axiale, 3029593 11 l'épaulement circonférentiel 39 y présentant une composante circonférentielle nulle. Dans ces configurations, l'épaulement circonférentiel 39 définit un plan passant par l'axe XX. En particulier sur la Figure 3, les épaulements circonférentiels 36 et 39 sont définis dans un même plan.

5 Figure 6, l'épaulement circonférentiel 36 comprend une surface sensiblement plane. Le plan de la surface plane forme un angle y (Gamma) avec l'axe de révolution XX. Dans les modes de réalisation des figures 2 et 3, le plan de la surface plane respective des épaulements circonférentiels 36 et 39 est, ici, sensiblement confondu avec l'axe de 10 révolution XX. L'angle y est donc sensiblement nul. La surface plane des épaulements circonférentiels 36 et 39 s'étendent sensiblement à la perpendiculaire des surfaces hélicoïdales 35 et 38, à l'angle d'hélice a près. Dans l'exemple de la figure 2, l'épaulement circonférentiel 39 est relié à l'une et l'autre 15 des extrémités circonférentielles de la surface hélicoïdale 36 via des bords francs, ou arêtes. Il en va de même, Figure 3, pour les épaulements circonférentiels 36 et 39. Les figures 6, 7 et 8 montrent des variantes de réalisation de la surface hélicoïdale. Pour rendre ces variantes plus lisibles, elles sont représentées sur la butée interne 15. Bien 20 évidemment chacune des variantes peut également être appliquée à la forme de la surface hélicoïdale de la butée externe 18, comme cela est représenté sur les Figures 9, 10 et 11. Ces variantes se distinguent notamment du mode de réalisation de la figure 3 en ce que la surface hélicoïdale 35 s'étend sur une portion angulaire inférieure à 360°. Les deux extrémités circonférentielles de la surface hélicoïdale 35 sont désalignées 25 selon la direction axiale. L'épaulement circonférentiel 36 qui les relie présente une composante circonférentielle non nulle. L'épaulement circonférentiel 36 s'étend sur une portion angulaire de quelques degrés, par exemple entre 1° et 15° Dans les variantes des figures 6, 7 et 8, le profil des surfaces de l'épaulement 30 circonférentiel 36 vues selon une coupe longitudinale passant par l'axe de révolution XX peut être représenté par des segments droits orientés selon une direction radiale. Comme pour la surface hélicoïdale 35, le profil de l'épaulement circonférentiel 36 est, 3029593 12 en variante, droit et présente une inclinaison par rapport à une direction radiale. Le profil des surfaces de l'épaulement circonférentiel 36, peut, dans d'autres variantes, être courbe, par exemple concave ou convexe.

5 Dans la variante de la figure 6, l'épaulement circonférentiel 36 comprend une surface sensiblement plane. Le plan de la surface plane forme un angle y avec l'axe de révolution XX. L'angle y est, ici, non nul, par exemple compris entre 0° et 75°. Comme dans le cas de la figure 2, l'épaulement circonférentiel 36 est relié à l'une et l'autre des extrémités circonférentielles de la surface hélicoïdale 35 via des bords francs, ou arêtes.

10 Dans la variante de la figure 7, l'épaulement circonférentiel 36 comprend deux congés de raccordement, l'un concave, l'autre convexe. Les congés de raccordement présentent chacun un rayon de courbure, référencés respectivement R1 et R2. Les liaisons entre l'épaulement circonférentiel 36 et la surface hélicoïdale 35 sont dépourvues de bord 15 franc, ou d'arête. E variante non représentée, l'épaulement circonférentiel 36 peut être dépourvu de surface plane, de telle sorte que les congés de raccordement sont reliés l'un à l'autre par un point d'inflexion, de sorte que l'épaulement circonférentiel 36 forme une liaison sensiblement continue entre les deux extrémités circonférentielles de la surface hélicoïdale 35. Ici, les rayons de courbure R1 et R2 sont sensiblement égaux.

20 Les rayons de courbure R1 et R2 sont, par exemple, compris entre 0,5 et 10 millimètres. Dans la variante de la figure 8, l'épaulement circonférentiel 36 comprend deux surfaces sensiblement planes et sécantes entre elles. Un premier pan 36' forme un angle y nul avec l'axe de révolution XX. Au contraire du cas de la figure 3, la surface plane est 25 reliée à l'une des deux extrémités circonférentielles de la surface hélicoïdale 35 via un deuxième pan 36" en forme de chanfrein, ici sensiblement à 45°. Ici, le chanfrein est prévu du côté du raccord concave avec la surface hélicoïdale 35. À la place ou en plus, un chanfrein peut être prévu du côté du raccord convexe avec la surface hélicoïdale 35..

30 Dans d'autres variantes, la surface hélicoïdale 35 s'étend sur un peu plus de 360°, soit un tour et quelques degrés, par exemple entre 361° et 365°. Les parties d'extrémités circonférentielles de la surface hélicoïdale 35 se superposent alors légèrement selon la 3029593 13 direction axiale en une portion angulaire singulière du composant 1. L'épaulement circonférentiel 36 est alors conformé en une concavité reliant les deux extrémités circonférentielles de la surface hélicoïdale 35 l'une à l'autre.

5 En variante non représentées des Figures 9, 10 et 11, la butée interne 15 peut être dépourvue de surface hélicoïdale tandis que la butée interne est pourvu d'une unique surface hélicoïdale selon l'une des variantes. Dans d'autres modes de réalisation, la butée 15 comprend une surface hélicoïdale 35 qui 10 s'étend sur une portion angulaire significativement inférieure à 360°, par exemple inférieure à 270°, ou mieux encore inférieure à 180° ou inférieure à 90°. Dans les cas où la surface hélicoïdale s'étend sur une portion angulaire significativement inférieure à 360°, la butée comprend alors ladite surface hélicoïdale 15 unique, un épaulement circonférentiel unique, et la portion angulaire restante de la butée qui définit alors une surface en forme de portion de couronne. Le profil de la surface en forme de portion de couronne, vu selon une coupe longitudinale, peut être plan et parallèle à une direction radiale, plan et incliné par rapport à une direction radiale ou encore courbe, par exemple convexe ou concave. La butée 18 comprend, 20 successivement le long de la circonférence, la surface en forme de portion de couronne, la surface hélicoïdale 38 et l'épaulement circonférentiel 39. Dans ce cas, l'épaulement circonférentiel 39 relie une extrémité circonférentielle de la surface hélicoïdale 38 à une extrémité circonférentielle de la surface en portion de couronne.

25 En variante, Figure 12, la butée 18 comprend au moins deux surfaces hélicoïdales 38. La butée 18 comprend en conséquence autant d'épaulements circonférentiel 39 que de surfaces hélicoïdales 38. La butée 18 comprend, successivement le long de la circonférence, une première surface hélicoïdale 38', un premier épaulement circonférentiel 39', une seconde surface hélicoïdale 38", un second épaulement 30 circonférentiel 39". Dans l'exemple de la Figure 12, la butée interne 15 présentant également une surface hélicoïdale 35, on a donc un exemple de réalisation à 3 surfaces hélicoïdales.

3029593 14 Selon l'invention, la présence de N surfaces hélicoïdales peut se combiner avec N surfaces planes en forme de portion de couronne. La butée comprend alors, le long de la circonférence, une succession de N ensembles constitués d'une surface hélicoïdale, 5 d'une surface en forme de couronne et d'un épaulement circonférentiel. La somme des portions angulaires sur lesquelles s'étendent les N surfaces hélicoïdales est, par exemple, compris entre 180° et 360°.

10 Chaque caractéristique, mode de réalisation, variante et combinaison qui découle de la description ci-avant à propos de la butée 15 est transposable à la butée 18, et réciproquement. En outre, le premier élément d'extrémité 2 d'un composant 1 peut comprendre : i) une butée 15 selon l'un des modes de réalisation décrits ci-avant du côté interne 15 et une butée de configuration connue en tant que telle du côté externe, ii) une butée 18 selon l'un des modes de réalisation décrits ci-avant du côté externe et une butée de configuration connue en tant que telle du côté interne, iii) une combinaison d'une butée 15 selon l'un des modes de réalisation décrits ci-avant du côté interne et d'une butée 18 du côté externe, les butées 15 et 18 étant 20 analogues, ou iv) une combinaison d'une butée 15 selon l'un des modes de réalisation décrits ci-avant du côté interne et d'une butée 18 selon l'un des modes de réalisation décrits ci-avant du côté externe, les butées 15 et 18 étant de configurations différentes.

25 Les épaulements circonférentiel 36, respectivement 39, peuvent être disposés dans la même portion angulaire du composant 1, comme cela est représenté en figure 3, ou être décalés les uns par rapport aux autres.

30 Il est maintenant fait référence aux figures 1 et 4 représentant deux modes de réalisation d'un élément d'extrémité femelle 103 d'un composant 101. L'élément d'extrémité femelle 103 de la figure 4 est homologue et en correspondance de forme avec l'élément 3029593 15 d'extrémité mâle 2 du composant 1 de la figure 3. Par correspondance de forme, on entend à minima que les butées interne 15 et externe 18 puissent être placées en engagement étanche sur 360° avec la surface homologue portée par l'élément d'extrémité femelle 103, et que les portions filetées puissent être engagées ensemble.

5 L'élément d'extrémité femelle 103 comprend une surface intérieure sensiblement tronconique 122 dans laquelle est ménagé un filetage intérieur. L'élément d'extrémité 103 comprend en outre une surface d'extrémité 126, ou distale, et une surface centrale123, ou proximale. Le filetage de la surface tronconique intérieure 122 est situé 10 axialement entre la surface d'extrémité 126 et la surface centrale 123. La surface d'extrémité 126 et la surface centrale 123 sont dépourvues de filetage. La surface d'extrémité 126 et la surface centrale 123 sont sensiblement cylindriques en correspondance de forme des surfaces centrales 16 et surfaces d'extrémité 13 de l'élément d'extrémité mâle 2. Un espace est prévu entre ces portions cylindriques 15 respectives pour former un espace de reflux pour une graisse déposée sur les filets, cette graisse pouvant être déposée en une quantité supérieure à l'espace interstitiel résiduel prévu entre les filets à la fin du vissage. La surface d'extrémité 126 présente un diamètre supérieur à celui de la surface centrale 20 123. Le filetage de la surface tronconique intérieure 122 est situé radialement entre la surface d'extrémité 126 et la surface centrale 123. Lors de l'assemblage, l'axe du vissage correspond à l'axe de révolution XX. Le sens de vissage est imposé par le sens des filetages complémentaires des surfaces tronconiques 25 extérieures 12 et intérieure 122. Le mode de réalisation des figures 3 et 4 comprend des filetages de sens de vissage classique, c'est-à-dire que les éléments d'extrémité 2, 103 sont filetés à droite. La surface centrale 123 et la surface intérieure 127, toutes deux sensiblement 30 cylindriques, sont reliées l'une à l'autre par une surface s'étendant sensiblement selon une partie de l'épaisseur de l'élément d'extrémité 103. Cette surface forme une butée 3029593 16 125. La butée 125 forme un épaulement intérieur de l'élément d'extrémité 103 du composant 101. La surface d'extrémité 126 et la surface extérieure 121, toutes deux sensiblement 5 cylindriques et concentriques, sont reliées l'une à l'autre par une surface s'étendant sensiblement selon l'épaisseur de l'élément d'extrémité 103. Cette surface forme une butée 128. La butée 128 définit l'extrémité libre, ou terminale, de l'élément d'extrémité 103 du composant 101 à l'état non assemblé.

10 Compte tenu de leurs positions radiales respectives, la butée 125 peut être appelée butée interne femelle tandis que la butée 128 peut être appelée butée externe femelle. La butée interne 125 de l'élément d'extrémité 103 du composant 101 est l'homologue de la butée 15 interne de l'élément d'extrémité 2 du composant 1. La butée 125 présente 15 une correspondance de forme avec la butée 15. La butée 15 et la butée 125 sont agencées de manière à venir en contact serrant l'une contre l'autre en fin de vissage, et de manière à obtenir en tous points de la butée interne 15 en regard de la butée 125 une pression de contact suffisante pour y assurer une étanchéité aux fluides, et à minima aux liquides.

20 La butée 128 externe de l'élément d'extrémité 103 du composant 101 est l'homologue de la butée 18 externe de l'élément d'extrémité 2 du composant 1. La butée 128 présente une correspondance de forme avec la butée 18. La butée 18 et la butée 128 sont agencées de manière à venir en contact serrant l'une contre l'autre en fin de vissage, et 25 de manière à obtenir en tous points de la butée externe 18 en regard de la butée 128 une pression de contact suffisante pour y assurer une étanchéité aux fluides, et à minima aux liquides. Dans un joint obtenu lorsque les deux composants 1 et 101 sont assemblés l'un avec 30 l'autre par vissage, l'élément d'extrémité 2 du premier composant 1 est l'homologue de l'élément d'extrémité 103 du second composant 101. Les N surfaces hélicoïdales 35, respectivement 38, sont les homologues de N surfaces hélicoïdales référencées 145, 3029593 17 respectivement 148, et les N épaulements circonférentiel 36, respectivement 39, sont les homologues de N épaulements circonférentiel 146, respectivement 149 prévus sur l'élément d'extrémité 103. Les filetages des surfaces tronconiques extérieure 12 et intérieure 122 sont complémentaires.

5 Ici, les filetages des surfaces tronconiques extérieure 12 et intérieure 122 sont à filet unique. En variante, les filetages comprennent plusieurs filets, par exemple deux, trois ou quatre. On parle alors de filetage à multi-départ. Les filetages présentent un pas constant.

10 L'opération d'assemblage de deux composants 1 et 101 va maintenant être décrite. Dans l'exemple de la figure 1 ou des figures 3 et 4, c'est l'élément d'extrémité mâle 2 du premier composant 1 qui est assemblé avec l'élément d'extrémité femelle 103 du second composant 101. Ceci est équivalent à l'assemblage de l'élément d'extrémité 15 mâle tel que 2 du second composant 101 avec l'élément d'extrémité femelle tel que 103 du premier composant 1. Chacune des surfaces précitées du premier composant 1 vient alors coopérer avec une surface correspondante du second composant 101. Lors d'une opération de désassemblage, d'un dévissage, les évènements suivants et leur chronologie sont inversés.

20 Avant l'assemblage, les composants 1 et 101 sont alignés l'un avec l'autre de sorte que leurs axes de révolution XX soient confondus et que l'élément d'extrémité mâle 2 du premier composant 1 soit disposé en regard de l'élément d'extrémité femelle 103 du second composant 101.

25 Au début de l'assemblage, - L'élément d'extrémité mâle 2 est inséré en partie dans l'élément d'extrémité femelle 103 par un mouvement de translation selon l'axe de révolution XX rapprochant les composants 1, 101 l'un vers l'autre. 30 - Par un mouvement de vissage, le filetage de la surface tronconique extérieure 12 et le filetage de la surface tronconique intérieure 122 viennent s'engager l'un dans l'autre.

3029593 18 En fin de vissage, - Les surfaces extérieures 11 et 121 sont sensiblement dans le prolongement l'une de l'autre selon la direction axiale et se rapprochent l'une de l'autre. - Les surfaces intérieures 17 et 127 sont sensiblement dans le prolongement l'une de 5 l'autre selon la direction axiale et se rapprochent l'une de l'autre. - La butée 15 vient en contact contre la butée 125. Autrement dit, les butées internes 15 et 125 viennent en contact l'une de l'autre. - La butée 18 vient en contact contre la butée 128. Autrement dit, les butées externes 18 et 128 viennent en contact l'une de l'autre. 10 - Les N surfaces hélicoïdales 35 viennent en contact contre les N surfaces hélicoïdales 145. Autrement dit, les surfaces hélicoïdales 35 et 145 viennent en contact deux à deux. - Les N surfaces hélicoïdales 38 viennent en contact contre les N surfaces hélicoïdales 148. Autrement dit, les surfaces hélicoïdales 38 et 148 viennent en contact deux à deux. - Les N épaulements circonférentiels 36 se rapprochent en regard des N épaulements 15 circonférentiels 146. Autrement dit, les épaulements circonférentiels 36 et 146 se rapprochent deux à deux. - Les N épaulements circonférentiels 39 se rapprochent en regard des N épaulements circonférentiels 149. Autrement dit, les épaulements circonférentiels 39 et 149 se rapprochent deux à deux.

20 En fin de serrage, - Les surfaces extérieures 11 et 121 forment une surface extérieure quasi continue au passage d'un composant 1, 101 à l'autre. - Les surfaces intérieures 17 et 127 forment un alésage quasi continu au passage d'un 25 composant 1, 101 à l'autre. - La butée 15 est en appuis serrant contre la butée 125, ce qui permet l'application d'un couple de serrage important. - La butée 18 est en appui serrant contre la butée 128, ce qui permet l'application d'un couple de serrage important. 30 - Les épaulements circonférentiels 36 et 146 sont en contact ou en quasi contact. - Les épaulements circonférentiels 39 et 149 sont en contact ou en quasi contact.

3029593 19 Les butées selon l'invention comprenant au moins une surface hélicoïdale présentent une surface active plus importante que des butées constituées d'une surface en forme de couronne plane et perpendiculaire à l'axe de révolution XX connue de l'état de la technique. Façonner des surfaces hélicoïdales, par exemple par usinage, dans des 5 surfaces planes d'un composant tubulaire permet d'augmenter la surface de transmission des forces. Les dimensions radiales de l'élément d'extrémité, telles que les diamètres intérieur et extérieur et l'épaisseur de la paroi tubulaire, restent inchangées. Les risques de dysfonctionnement en utilisation et les difficultés lors des dévissages sont réduits.

10 Par exemple, pour un mode de réalisation conforme à la Figure 3 avec des surfaces hélicoïdales respectivement formées sur la butée externe et la butée interne, on obtient les résultats suivants pour une connexion avec simple départ de filet dans la zone filetée Diamètre angle hélice a Couple de vissage Gain dû à la présence des extérieur du des surfaces nominal d'une deux surfaces hélicoïdales tube 9 et 109 hélicoïdales connexion dépourvue 35 et 38 / couple de vissage (degrés) de surface hélicoïdale nominal 73,02 mm 2,1566° 8 135 N.m + 3,77% (2 7/8 inch) (6 000 ft.lbs) 101.6 mm 1,3103° 38 505 N ;m + 2,29% (4 inch) (28 400 ft.lbs) 168.27 mm 0,7309° 130 294 N.m + 1,28% (6 5/8 inch) (96 100 ft.lbs) 15 Et les résultats suivants avec la même configuration à deux surfaces hélicoïdales, mais munie ici d'un double départ de filets dans la zone filetée : 3029593 20 Diamètre angle hélice a Couple de vissage Gain dû à la présence des extérieur du des surfaces nominal d'une deux surfaces hélicoïdales tube 9 et 109 hélicoïdales connexion dépourvue 35 et 38 / couple de vissage (degrés) de surface hélicoïdale nominal 73,02 mm 4,3071° 8 135 N.m + 7,53% (2 7/8 inch) (6 000 ft.lbs) 101.6 mm 2,6192° 38 505 N ;m + 4,57% (4 inch) (28 400 ft.lbs) 168.27 mm 1,4615° 130 294 N.m + 2,55% (6 5/8 inch) (96 100 ft.lbs) Plus le pas de filet est élevé, plus l'angle d'hélice pourra être important, et en conséquence l'effet bénéfique sur l'amélioration du couple de serrage nominal pourra 5 être obtenu. On notera qu'avantageusement, le gain en terme de couple de vissage final est plus important quand il y a plusieurs départs de filets. En effet, le pas des filets étant d'autant plus élevé qu'il y a de départ de filets, l'augmentation de l'angle des filets permet 10 d'obtenir une augmentation de l'angle de l'hélice. On note également un autre avantage significatif sur l'amélioration des gains sur les petits diamètres de composants tubulaires, souvent disposés tout au fond du puits, à grande distance de la tête de puits de forage et sur lesquels il est le plus difficile de créer 15 des couples de vissage élevé. La distance séparant les épaulements circonférentiels 39 et 149 du côté externe est visible depuis l'extérieur du joint. Ceci peut donc constituer un indicateur visuel pour les opérateurs afin de contrôler la qualité du vissage.

20 Lorsque les épaulements circonférentiels 39 et 149, et le cas échéant 36 et 146, entrent en contact, la force de réaction s'opposant au vissage augmente brutalement. Les 3029593 21 épaulements circonférentiels 36 et 146, respectivement 39 et 149 forment alors des butées circonférentielles d'arrêt de vissage. Le couple nécessaire pour continuer le vissage augmente brutalement. Cette brusque augmentation est aisément détectable par les outils de vissages équipés de capteurs dynamométriques. Le serrage peut être stoppé 5 avant qu'un sur-vissage se produise. L'arrêt du vissage à la détection d'une augmentation brusque de couple peut être automatisé. Le risque de détériorer les éléments d'extrémité tels que 2 et 103 des composants 1, 101 du joint sont réduits. L'invention ne se limite pas aux exemples de composants et de joints décrits ci-avant, 10 seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après.

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Composant (1) tubulaire de garniture de forage comprenant un élément d'extrémité (2 ; 3) présentant un axe de révolution (XX) et pourvu d'un filetage s'étendant autour de 5 l'axe de révolution (XX), l'élément d'extrémité (2 ; 3) étant adapté pour être assemblé par vissage à un élément d'extrémité homologue (103 ; 102) d'un autre composant (101) tubulaire et pourvu d'un filetage complémentaire, l'élément d'extrémité (2 ; 3) comprenant au moins une butée (15, 18) agencée de 10 manière à venir en contact avec une butée (125, 128) homologue de l'autre composant (101) en fin de vissage, caractérisé en ce que ladite butée (15, 18) comprend au moins une surface hélicoïdale (35 ; 38 ; 45 ; 48) avec un axe d'hélice confondu avec l'axe de révolution (XX) 15
2. 2. Composant (1) selon la revendication précédente, dans lequel le filetage présentant un angle de filet 03), la ou les surfaces hélicoïdales (35 ; 38 ; 45 ; 48) présente un angle d'hélice (a) inférieur ou égal à l'angle de filet 03) du filetage.
3. 3. Composant (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'angle 20 d'hélice (a) est compris entre 0,5° et 7°.
4. 4. Composant (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la somme des portions angulaires autour de l'axe de révolution (XX) sur lesquelles s'étend la surface hélicoïdale (15, 18) est comprise entre 180° et 360°. 25
5. 5. Composant (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément d'extrémité (2 ; 3) comprend en outre un épaulement circonférentiel (36, 39 ; 46, 49) relié à l'une au moins des extrémités circonférentielles de ladite surface hélicoïdale (35 ; 38 ; 45 ; 48). 30 3029593 23
6. 6. Composant (1) selon la revendication 5, dans lequel l'épaulement circonférentiel (36, 39 ; 46, 49) comprend au moins une surface sensiblement plane et dont le plan forme un angle (y) avec l'axe de révolution (XX) compris entre 0° et 75°.
7. 7. Composant (1) selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel l'épaulement circonférentiel (36, 39 ; 46, 49) comprend au moins une surface sensiblement plane et dont le plan est parallèle à l'axe de révolution (XX) ou confondu avec l'axe de révolution (XX).
8. 8. Composant (1) selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel l'épaulement circonférentiel (36, 39 ; 46, 49) est relié à la surface hélicoïdale (35 ; 38 ; 45 ; 48) par un congé de raccordement ou un plan incliné.
9. 9. Composant (1) selon la revendication 8, dans lequel le congé de raccordement 15 présente un rayon de courbure (R1 ; R2) compris entre 0,5 et 10,0 millimètres.
10. 10. Composant (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément d'extrémité (2 ; 3) comprend deux butées (15, 18), une butée interne et une butée externe, chacune des deux butées (15, 18) comprenant au moins un épaulement 20 circonférentiel (36, 39 ; 46, 49),
11. 11. Composant (1) selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel l'élément d'extrémité (2 ; 3) comprend deux butées (15, 18), une butée interne et une butée externe, seule la butée externe (18) étant pourvue d'une surface hélicoïdale, cette 25 surface hélicoïdale, de préférence unique, étant à distante du filetage.
12. 12. Joint comprenant deux éléments d'extrémité (2, 103 ; 3, 102) de deux composants (1, 101) selon l'une des revendications précédentes, les deux composants (1, 101) étant assemblés l'un avec l'autre par vissage de l'élément d'extrémité (2, 3) du premier 30 composant (1) avec l'élément d'extrémité (103, 102) homologue du second composant (101).