Ensemble à raccord pour masse-tiges ou tiges lourdes de forage

La présente invention concerne des raccords pour éléments tubulaires ou cylindriques et plus particulièrement des raccords destinés à former une colonne d'éléments pour le forage de puits, notamment de puits de pétrole. Elle concerne plus précisément un ensemble à raccord pour masse-tiges et/ou tiges lourdes de forage. Lors du forage d'un puits dans le sol, il est nécessaire de raccorder des portions de conduits tubulaires ou autres éléments cylindriques de manière à former une colonne ou un train d'éléments permettant d'atteindre la profondeur désirée. Dans le domaine du forage pétrolier, visant l'extraction d'hydrocarbures liquides ou gazeux, il est fondamental que ces raccords garantissent, au niveau des assemblages des éléments, notamment résistance structurelle et tenue en pression.

Une colonne de forage est constituée, généralement, respectivement de haut en bas, de quatre types d'éléments : tiges de forage (en Anglais : drill pipes) - tiges lourdes (en Anglais : heavy weight drill pipes) masse tiges (en Anglais : drill collars) outil de forage.

Ces trois types de tiges sont percés axialement de part en part afin de fournir un passage pour les fluides à extraire ou à injecter lors du forage. Ces différents types de tiges se distinguent principalement par le fait que : les tiges de forage, sont, à l'unité, les plus légères de ces trois types de tiges. Elles sont généralement un assemblage par soudure d'un tube et de deux raccords (tool joint en Anglais). Les tiges de forage servent de lien entre l'outil et la surface, elles sont généralement en sollicitées en traction et servent à transmettre le couple de rotation et le fluide de forage vers l'outil. les tiges lourdes ont une section beaucoup plus importante que les tiges de forage et peuvent être monobloc ; elles sont souvent

sollicitées en flexion et ont des renflements extérieurs sur le corps (wear pads en Anglais) afin de réduire les contacts et donc l'usure sur les parois du puits. Elles sont utiles comme éléments de transition entre les masses tiges et les tiges de forage. Elles diminuent considérablement les vibrations générées par la coupe de la roche par l'outil. les masse-tiges ont des parois très épaisses (de l'ordre de plusieurs pouces soit plusieurs dizaines de millimètres) ; elles sont souvent usinées en spirale sur leur partie extérieure afin de laisser un passage pour le fluide de forage entre la surface extérieure de la masse tige et la paroi du puits, ceci afin de réduire les collages par pression différentielle. Elles peuvent aussi recevoir des usinages extérieurs pour faciliter leur manœuvre ou leur mise en œuvre (« slip and elevator recess » en anglais). Elles contribuent par leur poids à exercer un effort de coupe sur l'outil de forage et à mettre en tension les tiges de forage.

L'ensemble des tiges lourdes, des masse-tiges et de l'outil de forage est parfois appelé (en anglais) « Bottom HoIe Assembly ».

C'est le raccordement des éléments inférieurs d'une telle colonne de forage que vise la présente invention.

La gravité agissant, notamment, sur les tiges lourdes et masse tiges permet de les utiliser en compression afin d'appliquer une force de pénétration aux éléments coupants de l'outil de forage à l'extrémité inférieure de la colonne de forage. La quantité des tiges lourdes et masse tiges utilisées dans une colonne donnée dépend de la charge que l'on souhaite appliquer à l'extrémité de forage. De plus, les éléments de la colonne de forage sont entraînés en rotation afin de donner un mouvement de coupe à l'outil de forage situé à son extrémité inférieure.

Les éléments de la colonne de forage et notamment les masse tiges et les tiges lourdes sont donc, à la fois, sollicités en compression et en torsion. Les tiges constituant la colonne de forage sont pourvues de raccords à chacune de leurs extrémités permettant de les assembler les unes aux autres, afin d'obtenir une configuration souhaitée.

Habituellement, ce type de raccord est réalisé à l'aide de surfaces filetées complémentaires disposées aux extrémités des éléments à assembler, sur

des portions respectivement mâles et femelles, utilisant, habituellement, des joints d'étanchéité enserrés par deux surfaces appropriées desdites deux portions. En général, il s'agit de filetages coniques ayant un pas important (plusieurs millimètres) afin de faciliter un assemblage rapide (une fraction de tour nécessaire pour le serrage).

De tels raccords à filetage conique pour éléments de forage pétrolier ont étés normalisés dans la norme API Spécification 7 considérée ici à titre de référence (API : American Petroleum Institute).

Un raccord tel que défini par cette norme est composé d'un élément mâle comportant un épaulement et une portion conique au moins partiellement filetée s'étendant depuis cet épaulement jusqu'à l'extrémité libre de cet élément et d'un élément femelle complémentaire ayant une première surface intérieure conique filetée de même conicité que la surface conique de l'élément maie, mais plus courte que celle -ci, et prolongée par une autre surface conique intérieure lisse de conicité plus faible que ladite première surface conique.

Un problème rencontré dans ce domaine technique et en particulier avec ce type de raccords résulte du fait que les éléments de la colonne de forage, notamment les masse tiges et les tiges lourdes, ont des dimensions radiales plusieurs fois inférieures à leurs dimensions longitudinales (typiquement, pour une tige lourde : 900cm de longueur pour un diamètre de 25cm). De plus, le diamètre des trous de forage dans lequel sont mises en œuvre les tiges lourdes et les masse tiges est largement supérieur à leur diamètre propre. En général, le diamètre d'un tel trou de forage est de 17 Vz pouces (soit environ 44,5cm).

Par conséquent, étant soumises à des contraintes en compression, ces colonnes d'éléments de forage sont naturellement sollicitées à se déformer en flambage dans le trou foré. Ce flambage se traduit localement par des efforts de flexion, notamment au niveau des raccords entre les éléments constituant la colonne. En pratique, ces raccords constituent des discontinuités géométriques, (notamment en raison des réductions de section) par rapport au reste de la colonne ; ils sont donc, en cas de flambage de celle-ci, le lieu de concentrations de contraintes, que par conséquent des risques importants de rupture à ce niveau.

Notamment, les efforts de torsion combinés à des efforts de flexion répétés au niveau des raccords entraînent typiquement des problèmes de rupture par fatigue causés principalement par des concentrations de contraintes sur

l'élément femelle, notamment sur le cercle formant limite entre lesdites deux surfaces intérieures coniques. Il a été constaté, dans la pratique, que des ruptures causées par des phénomènes de fatigue avaient lieu le long de ce cercle, dont des portions sont sollicitées tantôt en compression, tantôt en traction selon l'orientation angulaire aléatoire du flambage de la colonne.

La présente invention vise à pallier ces inconvénients et a pour objet un ensemble à raccord pour éléments de forage, répondant au mieux à la norme API Spécification 7 mais permettant de résister à des contraintes internes élevées, résultant des efforts de torsion, compression et du flambage de la colonne de forage, et éviter ainsi la rupture d'éléments du raccord, notamment par phénomène de fatigue. Plus particulièrement, elle vise à réduire la valeur maximale des contraintes locales observées au niveau du raccord.

Elle propose à cet effet un ensemble à raccord pour tiges lourdes ou masse-tiges de forage comprenant : - un élément de raccord mâle ayant sensiblement une forme de révolution autour d'un axe longitudinal et qui comporte dans son sens longitudinal respectivement : une première portion sensiblement cylindrique formant épaulement à une de ses extrémités, - une seconde portion de surface conique au moins partiellement filetée et s'effilant à partir de la première portion vers l'extrémité libre de l'élément

- un élément de raccord femelle sensiblement cylindrique, complémentaire dudit élément de raccord mâle, et qui comporte : - une portion radiale formant une face d'appui pour ledit épaulement du premier élément et, longitudinalement, coaxialement et respectivement, à partir de cette portion, une surface intérieure conique au moins partiellement filetée complémentaire de la surface conique au moins partiellement filetée de l'élément mâle, une surface intérieure cylindrique lesdits deux éléments de raccord étant destinés à être assemblés l'un dans l'autre par vissage sur plusieurs tours des filetages, caractérisé en ce que l'élément de raccord mâle comporte, en outre, entre ladite deuxième portion et

son extrémité libre, une troisième portion de surface de conicité inférieure à celle de la seconde portion de surface conique, et dimensionnée par rapport à ladite surface intérieure cylindrique de manière à ce qu'il existe un jeu grâce à quoi, lors d'une sollicitation en flexion de l'ensemble, ces deux surfaces entrent respectivement en appui.

Ainsi, la présente invention permet de réduire les contraintes observées au niveau des raccords, résultant notamment du flambage des éléments, et d'augmenter ainsi la résistance à la rupture par fatigue au niveau des raccords.

De manière préférée, l'élément femelle reprend les dimensions standard définies par la norme API Spécification 7 et l'élément mâle est le seul élément de l'ensemble à raccord à être modifié tout en étant compatible avec des éléments femelle standard selon cette norme.

C'est ainsi que l'invention propose en outre un élément de raccord mâle pour tiges lourdes ou masse-tiges de forage destiné à coopérer avec un élément femelle et ayant sensiblement une forme de révolution autour d'un axe longitudinal et qui comporte dans son sens longitudinal respectivement : une première portion sensiblement cylindrique formant épaulement à une de ses extrémités, une seconde portion de surface conique au moins partiellement filetée et s'effilant à partir de la première portion vers l'extrémité libre de l'élément, caractérisé en ce que l'élément de raccord mâle comporte, en outre, entre ladite deuxième portion et son extrémité libre, une troisième portion de surface de conicité inférieure à celle de la seconde portion de surface conique. En fait, il a déjà été proposé par le document FR-2 508 970 d'utiliser des portées cylindriques de guidage sur chacun des éléments à assembler, de part et d'autre des portions coniques filetées, lesdites portées étant dimensionnées de manière à ce qu'elles soient emboîtées les unes dans les autres avant que les filetages n'entrent en prise, dans l'objectif d'assurer un alignement correct de ceux- ci préalablement au vissage, pour éviter tout endommagement des filets. Mais ce document se place dans un domaine très différent de celui du forage pétrolier puisqu'il se situe dans le domaine du tubage de surface, notamment en mer.

Les éléments tubulaires décrits par ce document ne sont pas du matériel de forage proprement dit. Ils sont utilisés de manière quasi-statique lors de

l'exploitation d'un trou foré, et ne sont pas soumis à des efforts de torsion et compression que l'on rencontre dans le matériel de forage. Ces éléments sont uniquement soumis à des efforts de traction exercés par leur propre poids. Le rôle des raccords entre ces éléments se limite à assurer l'étanchéité entre lesdits éléments et le milieu extérieur. Les contraintes mécaniques qui s'appliquent à ces éléments de tubage sont donc totalement différentes de celles de la présente invention. De plus, sur le type de tubages décrits par le document FR 2 508 970, le principal problème est de guider le filetage lors de l'assemblage de deux éléments afin de ne pas l'endommager lors du vissage. A contrario, les connections entre tiges de forage, objet de la présente invention, ne posent généralement pas de problème de vissage, et ne nécessitent pas d'éléments de guidage.

Or, la présente invention vise à réduire, au niveau des raccords entre éléments de forage, la concentration de contraintes générées par le flambage résultant des efforts de compression/torsion agissant sur la colonne.

Il résulte de ce qui précède, que l'homme de métier cherchant à améliorer les raccords pour éléments de forage n'a a priori aucune raison de faire appel aux connaissances du domaine technique diamétralement opposé des raccords pour tubages pour extraction, d'autant que les normes applicables au forage sont très strictes et dissuadent en pratique l'homme de métier de chercher à les retoucher.

On connaît du document US 5 908 212 A un raccord d'outil à haute résistance au couple, à deux épaulements, impliquant la venue en butée d'épaulements situés de part et d'autre de la zone filetée respectivement sur la portion mâle et femelle, ce qui exclut toute possibilité de consommation du jeu entre le nez de l'élément mâle et la surface interne de l'élément femelle correspondante. Ainsi, un tel raccord d'outil est incapable de résoudre le problème de la réduction de la valeur maximale des contraintes locales observées au niveau du raccord.

Il en va de même pour le document WO 2005/095840 A1, qui décrit un joint d'outil à haute résistance au couple, à double épaulement, ce qui exclut également toute possibilité de consommation du jeu, pour les mêmes raisons.

Selon des caractéristiques avantageuses de l'invention, éventuellement combinées :

l'élément mâle comporte une gorge disposée entre ladite seconde portion et ladite troisième portion, de telle manière que, lorsque lesdits deux éléments sont assemblés, et lorsque ledit épaulement se trouve en butée contre la face d'appui radiale, la limite géométrique entre ladite surface intérieure conique et ladite surface intérieure cylindrique se trouve comprise dans l'espace formé par ladite gorge ;

- la troisième portion de surface de l'élément mâle formant portée est sensiblement cylindrique ;

- ladite portion est partiellement conique à son extrémité libre ; - ladite conicité est inférieure à celle de la seconde portion conique au moins partiellement filetée ;

- la troisième portion a une dimension longitudinale au plus égale aux 2/3 de la dimension longitudinale de la seconde portion ;

- la troisième portion a une dimension longitudinale comprise entre 10 % et 50 % de son diamètre ;

- la gorge a un rayon de courbure compris entre ^λ A et 3 pouces soit environ entre 12 millimètres et 76 millimètres suivant le diamètre des raccords.

- les deux éléments sont axialement percés et débouchants. Ainsi, la présente invention propose de répartir les contraintes de part et d'autre de la limite entre les deux surfaces, sans solliciter cette zone critique directement par contact mécanique.

En d'autres termes, pour une même flexion du raccord, l'invention propose de répartir les efforts résultant de cette flexion sur une surface de contact plus élevée entre les deux éléments constituant le raccord, et donc de réduire la valeur des contraintes maximales observées (la contrainte étant par définition une force par unité de surface).

De plus, le fait d'ajouter une portée faiblement conique, voire cylindrique, au-delà de cette zone critique, permet de déplacer une partie des efforts sur une surface plus éloignée de l'extrémité libre de l'élément femelle vers une portion de cet élément femelle où les parois ont une section plus importante leur permettant de mieux résister aux sollicitations mécaniques.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, donnée à titre illustratif et nullement limitatif, en regard aux dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un élément femelle classique en soi, conforme à la norme API.

La figure 2 est vue en coupe longitudinale d'un élément maie selon l'invention,

La figure 3 est une vue en coupe longitudinale des deux éléments précités à l'état assemblé selon l'invention. Comme visible en figure 3, un ensemble à raccord 100 selon l'invention est composé d'un élément maie 300 et d'un élément femelle 200 assemblés. Ces deux éléments sont respectivement visibles isolément en figures 2 et 1.

L'élément de raccord mâle 300 présente une forme de révolution et comporte dans son sens longitudinal une première portion 302 sensiblement cylindrique conformée à une de ses extrémités en épaulement 301, et destinée, à son extrémité opposée, à coopérer avec un élément de colonne de forage (non représenté), une portion conique 310 pourvue d'un filetage 311 , une gorge 320 étant prévue entre ladite portion sensiblement cylindrique 302 conformée en épaulement 301 et la portion conique 310, et une portion sensiblement cylindrique 330 formant extrémité de l'élément 300, et raccordée à la portion conique 310 par une gorge 340.

Cette gorge a avantageusement un rayon de courbure compris entre ^λ A et 3 pouces suivant les diamètres des raccords, soit entre environ 12 millimètres et 76 millimètres. L'élément de raccord 300 est percé à l'extrémité destinée à coopérer avec un élément de colonne d'un alésage 350 sensiblement cylindrique terminé par une portion 360 conique s'élargissant pour déboucher à l'extrémité opposée de l'élément de raccord 300.

L'élément de raccord femelle 200 est également débouchant et présente une forme extérieure sensiblement cylindrique, et, à son extrémité opposée à l'extrémité destinée à coopérer avec un élément de colonne de forage (non représenté), une face radiale 201 formant face d'appui pour coopérer avec ledit épaulement 301, et, dans le sens longitudinal, coaxialement respectivement, une portion de surface intérieure conique 210 partiellement pourvue d'un filetage 211

complémentaire de la surface conique 310 pourvue du filetage 311 , une portion de surface intérieure sensiblement cylindrique 220 destinée à coopérer avec la portion cylindrique 330 en ajustement libre et de préférence glissant juste, une portion de surface intérieure conique 230 de même conicité que la portion 210, une portion de surface intérieure 240 de conicité sensiblement plus élevée que la portion 210, et une portion de surface cylindrique 250 débouchant à l'extrémité destinée à coopérer avec un élément de colonne de forage (non représenté).

Comme visible en figure 3, lorsque les deux éléments 200 et 300 sont assemblés, l'épaulement 301 se trouve en butée contre la surface radiale 201 , et la portée 330 sensiblement en face de la portée 220, un léger jeu, exagéré pour la clarté de la figure, étant visible entre ces deux portées. Ce jeu est avantageusement de l'ordre d'un ajustement H7g6, par exemple (selon NF R91- 011).

Le contact entre l'épaulement 301 et la surface radiale 201 assure l'étanchéité de l'ensemble.

La gorge 340 se trouve à cheval entre la surface conique 210 et la surface cylindrique 220, sensiblement en face du cercle 260 formant limite entre ces deux surfaces.

Ainsi, lors d'une sollicitation en flexion de l'ensemble 100, les deux surfaces formant portée 330 et 220 entrent en contact puis en appui, ce qui permet de distribuer les efforts, réduire les contraintes observées au niveau de l'élément femelle, sans que le cercle critique et son voisinage immédiat ne soient sollicités en contact.

Il est à noter que les gorges 320 et 340 peuvent être utilisées pour l'engagement et le dégagement d'un outil de coupe servant à l'usinage du filetage 311 de la partie 310 qu'elles encadrent. Le filetage 311 peut, cependant, être fabriqué selon tout autre procédé.

Par ailleurs, les deux gorges peuvent également servir de gorges de relaxation pour fluides sous pression afin de contribuer à l'étanchéité de l'ensemble. Avantageusement, ces deux gorges peuvent recevoir des joints d'étanchéité (non représentés), par exemple des joints toriques, afin d'améliorer l'étanchéité du raccord.

Alternativement ou en complément de ce qui précède, une gorge (non représentée) peut être usinée dans la portée 330 afin d'accueillir un joint

d'étanchéité, par exemple un joint torique, toujours en vue d'améliorer l'étanchéité de l'ensemble, notamment lors d'un forage en éruption, par exemple.

Avantageusement, la portée 330 peut être non pas cylindrique mais légèrement conique (avec une conicité inférieure à celle des portions filetées), au moins partiellement, à son extrémité libre, pour faciliter un contact linéique avec portée 220 en cas de flexion de l'ensemble, et assurer une meilleure distribution

(répartition) des contraintes.

Ces éléments sont avantageusement conformes à la norme API Spécification 7. Plus précisément, les éléments ont avantageusement les dimensions suivantes, données à titre d'exemple (pour une connexion de type NC50 selon la norme API) : diamètre intérieur maximal de la portion 210 : 153 millimètres environ ; - diamètre intérieur minimal de la portion 210 : 134 millimètres environ ; longueur totale de la portion conique 210 : 114 millimètres environ ; longueur filetée de la portion conique 210 : 98 millimètres environ ; longueur de la portion cylindrique 220 : 51 millimètres environ ; - diamètre intérieur de la portion cylindrique 220 : 134 millimètres environ ; longueur de la portion conique 230 : 51 millimètres environ ; conicité de la portion 240 : 30° environ ; diamètre intérieur de la portion cylindrique 250 : 76 millimètres environ ; diamètre intérieur de la gorge 320 : 138 millimètres environ ; diamètre extérieur maximal de la portion conique 310 : 154 millimètres environ ; longueur entre l'épaulement 301 et l'extrémité la plus éloignée de la gorge 340 : 114 millimètres environ ; diamètre minimal de la gorge 340 : 128 millimètres environ ; largeur maximale de la gorge 340 : 20 millimètres environ ; rayon de courbure minimal de la gorge 340 : diamètre intérieur de la portion 350 : 76 millimètres environ ;

diamètre intérieur maximal de la portion conique 360 : 83 millimètres environ ; jeu sur le diamètre entre les portions 330 et 220 : ajustement H7g6)

Un test a permis d'évaluer à environ 60 % la réduction des contraintes ainsi obtenues à 10 cm de la portée d'étanchéité, constituée par le contact entre l'épaulement 301 et la surface radiale 201 (ce test a été réalisé avec des jauges de contraintes posées sur la surface extérieure de l'élément femelle, à 2, 4, 6, 8 pouces, à savoir 50,8 ; 101 ,6 ; 152,4 ; 203,2 millimètres, de la portée d'étanchéité

201 ). II est à noter que de nombreuses modifications ou variantes de l'ensemble à raccord décrit et représenté peuvent être aisément réalisées par l'homme de métier sans sortir du cadre de l'invention.