Titre de l’invention : Elément tubulaire fileté à segment

Domaine technique

[1]L’invention concerne les composants, éléments tubulaires filetés et joints résultants de l’assemblage de deux éléments tubulaires filetés présents dans les composants tubulaires utilisés dans le domaine du pétrole et du gaz, de la géothermie, de 1’ énergie, et plus particulièrement à une méthode de fabrication d’un tel élément.

Arrière-plan technologique

[2] On entend ici par “composant” tout tube ou accessoire utilisé pour forer ou exploiter un puit et comprenant au moins une connexion ou connecteur ou encore élément tubulaire fileté, et destiné à être assemblé par un filetage à un autre composant pour constituer avec cet autre composant un joint fileté tubulaire. Le composant peut être par exemple un tube de relativement grande longueur (notamment d’environ une dizaine de mètres de longueur), ou bien un manchon tubulaire de quelques dizaines de centimètres de longueur, ou encore un accessoire de ces éléments tubulaires. De manière non limitative, un tel accessoire peut être un dispositif de suspension ou « hanger », une pièce de changement de section ou « cross-over », une vanne de sécurité, un connecteur pour tige de forage ou « tool joint », « sub », et analogues...

[3]Les joints tubulaires sont donc constitués d’au moins deux éléments tubulaires filetés. Ces éléments tubulaires filetés sont complémentaires permettant le raccordement de deux éléments tubulaires - l’un mâle (« Pin ») et l’autre femelle (« Box ») - entre eux. Il y a donc un élément tubulaire fileté mâle et un éléments tubulaire fileté femelle. Les éléments tubulaires filetés dits premium ou semi- premium comportent généralement au moins une surface de butée. Une première butée peut être formée par deux surfaces de butée de deux éléments tubulaires filetés, orientées de façon sensiblement radiale et configurées de façon à être en contact l’une avec l’autre à l’issue du vissage des éléments tubulaires filetés entre eux, donc à l’état assemblé ou à l’état assemblé et lors de sollicitations de compression sur le joint tubulaire. Les butées ont généralement des angles négatifs par rapport à l’axe principal des connexions. Une première surface de butée peut être située sur l’extrémité distale d’un élément tubulaire fileté, ou du côté du ou des filetages situés à l’opposé de l’extrémité distale de l’élément tubulaire fileté. On connaît également des butées intermédiaires sur des joints comportant au moins deux étages de filetages, une surface de butée intermédiaire se trouvant entre les deux filetages d’un élément.

[4]De manière générale, pour des raisons techniques et d’usinage, les différentes parties d’un même composant, qu’il s’agisse de l’élément tubulaire ou encore des extrémités filetées, sont conçus selon un seul et même type de matériau (alliage ou non).

[5]Les connexions dites « premium » comportent des surfaces d’étanchéité appelées portées d’étanchéité, au moins une sur le pin, et au moins une correspondante sur le box, destinées à être mises en contact interférant lorsque les connexions pin et box sont assemblées l’une avec l’autre, de manière à former un joint présentant une étanchéité aux liquides et/ou aux gaz. Les portées d’étanchéité doivent maintenir une étanchéité empêchant le passage de liquides et/ou de gaz lorsque les connexions sont assemblées entre elles et lors de l’utilisation des tubes comportant ces connexions assemblées dans une colonne, par exemple une colonne de puits de pétrole, c'est-à-dire que la fonction d’étanchéité doit être maintenue dans le plus large spectre d’utilisation possible, y compris lorsque le joint est soumis à une pression interne ou à une pression externe, à des sollicitations de compression ou des sollicitations de traction, à température ambiante ou à température élevée, ce spectre correspondant à un domaine de fonctionnement du joint.

[6]En général, les portées d’étanchéité sont conçues pour travailler dans le domaine élastique du matériau qui les constitue de façon à maintenir la qualité d’étanchéité sous diverses sollicitations successives.

[7]Cependant, pour assurer une bonne étanchéité, les portées d’étanchéité doivent être assemblées de manière à créer de grandes pressions de contact. Il peut arriver, notamment en cours d’assemblage, lorsque l’on recherche des performances élevées, que des pressions de contact trop fortes soient atteintes, avec des risques de plastification, ou encore des risques de grippage. On entend par grippage des cas où de la matière est arrachée : En cas de grippage, la fonction d’étanchéité est fortement compromise. [8]Par ailleurs, il se peut que l’étanchéité du joint ne soit pas maintenue lorsque le joint est sollicité, la matière supportant les surfaces d’étanchéité se déformant avec une amplitude de déplacement de la surface d’étanchéité diminuant et annulant l’interférence, voire avec rupture de contact des surfaces d’étanchéité.

[9] Il existe un besoin pour obtenir un élément tubulaire fileté qui permette de garantir une étanchéité même sous des sollicitations importantes, tout en diminuant les risques de grippage.

[10] La présente invention vise à résoudre ce problème avec un élément fileté tubulaire comprenant au moins un filetage, une extrémité distale, un corps, un segment s’étendant depuis le corps jusqu’à l’extrémité distale, le segment comprenant ladite extrémité distale, le corps comportant une première surface sur laquelle est ménagée au moins partiellement le filetage, le segment comprenant une surface d’étanchéité située axialement entre l’extrémité distale et le au moins un filetage, ledit corps étant dans un acier ayant une première limite d’élasticité Ysl et ledit segment étant dans un acier ayant une deuxième limite d’élasticité Ys2 plus grande que la première limite d’élasticité Ysl. Ainsi, la matière supportant la surface d’étanchéité a une rigidité améliorée. Le joint résultant de l’assemblage d’un tel élément tubulaire avec un autre élément tubulaire a des performances en étanchéité sous sollicitations améliorées.

[11] Selon un aspect, l’extrémité distale comprend une surface de butée et le segment comprend la surface de butée. Ceci permet d’augmenter la rigidité de l’élément depuis la butée jusqu’au niveau de la surface d’étanchéité et d’obtenir une synergie entre le segment, la surface de butée et la surface d’étanchéité. La surface d’étanchéité a un déplacement réduit lorsque le joint est soumis à un effort de compression. La longueur du segment permet de répartir les contraintes exercées dans la matière aux environs de la surface d’étanchéité. Plus de pression peut être exercée au niveau de la butée, pression qui induit via le segment plus de pression de contact au niveau de la surface d’étanchéité. Le segment permet également d’améliorer l’étanchéité lorsque le joint est soumis à un effort de traction, le segment rigidifiant l’extrémité portant la surface d’étanchéité. La rigidité de la lèvre d’extrémité est augmentée sans ajouter d’épaisseur sur ladite lèvre d’extrémité. Ceci peut permettre d’éviter de réduire un diamètre interne de la connexion au niveau de la lèvre d’extrémité. Le segment permet de pallier des limitations dimensionnelles liées aux méthodes de rengraissement et/ou de conification de l’extrémité d’un tube.

[12]La surface d’étanchéité de l’élément tubulaire est située axialement entre le filetage et l’extrémité distale de l’élément tubulaire. La région vers l’extrémité distale étant généralement la région de moindre épaisseur radiale de l’élément fileté, l’effet de rigidité supplémentaire apportée par le segment est plus fort pour une telle localisation de la surface d’étanchéité.

[13]La première limite d’élasticité Ysl du corps et la deuxième limite d’élasticité Ys2 du segment ont des valeurs notées [Ysl] [Ys2] telles que :

[Ys2] > 1,15 x [Ysl] et préférentiellement [Ys2] > 1,3 x [Ysl]

[14]Selon un autre aspect, le segment a une longueur axiale d’au moins 4 mm.

[15]Selon un aspect, le segment peut être rapporté sur le corps par fabrication additive. Ceci permet un meilleur contrôle de la forme et de l’adhésion du segment sur le corps. Ceci permet également de limiter dimensionnellement la zone affectée thermiquement.

[16]Le segment peut être réalisé par fabrication additive par rechargement, par fusion par faisceau d’électrons, par fusion laser sur lit de poudre métallique ou « sélective laser melting », par frittage sélectif par laser, par dépôt métallique direct ou « Direct Energy Déposition », par Dépôt par Projection de Liant ou Dépôt par Projection Laser, par dépôt par fabrication additive arc-fil.

[17]Selon un aspect, le segment peut avoir une longueur axiale d’au moins 4 mm.

[18]Selon un autre aspect, le segment ne comprend pas d’évidement agencé pour le passage de fluide ou gaz, ou d’évidement agencé pour abriter un capteur.

[19] Le segment peut être dans un métal choisi parmi les aciers alliés, fortement alliés, alliages cupro-nickel, alliages de titane, céramiques, vitrocéramiques, ou cuivre, cupronickel, stellite, ferrochrome.

[20] Alternativement, le segment peut être dans le même métal que le métal du corps. Il est en effet possible d’obtenir des limites élastiques différentes avec des aciers de même nature.

[21] Selon une variante, le segment peut comprendre au moins une portion du au moins un filetage.

[22] Selon un aspect, l’élément fileté tubulaire selon l’invention peut comprendre un corps ayant un premier module d’ Young El et le segment avoir un deuxième module d ’ Y oung E2 supérieur à E 1. [23]Selon une autre variante, un joint fileté tubulaire peut comprendre au moins un élément tubulaire fileté selon l’invention, dans lequel le au moins un filetage comprend un premier filetage, le corps comprend une première partie du premier filetage et le segment comprend une deuxième partie du premier filetage, la deuxième partie du premier filetage comprenant une dent en prise la plus proche de l’extrémité distale.

[24]Enfin, l’invention est aussi un procédé pour obtenir un élément tubulaire tel que décrit précédemment, ledit procédé pouvant comprendre une étape de réalisation du segment par un procédé choisi parmi les procédés de rechargement, les procédés de fusion par faisceau d’ électrons, les procédés de fusion laser sur lit de poudre métallique ou « sélective laser melting », les procédés de frittage sélectif par laser, les procédés de dépôt métallique direct ou « Direct Energy Déposition », les procédés de Dépôt par Projection de Liant ou Dépôt par Projection Laser, les procédés de dépôt par fabrication additive arc-fil.

Brève description des figures

[25]L’invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.

[26] [Fig.1] La figure 1 est une vue en coupe d’une extrémité mâle d’un élément tubulaire selon un mode préféré de l’invention ;

[27][Fig.2] La figure 2 est une vue en coupe d’une extrémité femelle d’un élément tubulaire selon l’invention représentée partiellement ;

[28] [Fig.3] La figure 3 est une vue en coupe d’une extrémité d’un élément tubulaire selon un autre mode de réalisation de l’invention, mise en œuvre dans un joint représenté partiellement ;

Description des modes de réalisation

[29]La figure 1 montre un mode de réalisation préféré de l’invention. La figure 1 montre une vue partielle en coupe d’un élément tubulaire (2) ayant un axe principal (X) comprenant une extrémité ou connexion mâle, comprenant une première surface (3) sur laquelle est ménagé un filetage (5) qui est ici un filetage externe, une surface d’étanchéité mâle (10), une extrémité distale (8). Dans l’exemple de la figure 1, l’élément tubulaire (2) comprend sur l’extrémité distale (8) une surface de butée (9).

[30]L’ élément tubulaire comprend un corps (4) dans une première matière, ici un premier acier présentant une première limite d’élasticité Ysl. Le filetage (5) est réalisé dans le corps (4) et est donc constitué par un premier acier de première limite d’élasticité Ysl. Le filetage (5) est généralement obtenu par usinage dans le corps de l’élément tubulaire (2).

[31]Les connexions peuvent également comprendre plusieurs étages de filetages, par exemple deux étages de filetage. Des connexions peuvent aussi comprendre des surfaces d’étanchéités supplémentaires, par exemple une surface d’étanchéité située du côté du filetage externe (5) qui est opposé à l’extrémité distale (8), ou encore une surface d’étanchéité située entre deux étages de filetages. Les connexions peuvent être dépourvues de surface de butée.

[32] L’élément tubulaire (2) de la figure 1 comprend un segment (11). Le segment (11) s’étend sur toute l’épaisseur de la lèvre d’extrémité de l’élément tubulaire (2). La localisation axiale du segment (11) est telle que le segment (11) comprend la surface d’étanchéité (10). Dans le mode de réalisation de la figure 1, le segment (11) s’étend d’une part au-delà de la position axiale de la surface d’étanchéité (10) du côté opposé à l’extrémité distale (8), et le segment (11) s’étend d’autre part vers l’extrémité distale (8). Autrement dit, le segment (11) comprend la surface d’étanchéité (10) et s’étend jusqu’à l’extrémité distale (8) que le segment (21) comprend. La lèvre est comprise dans le segment (11).

[33] Le segment (11) est dans un acier présentant une deuxième limite d’élasticité Ys2. Cette limite d’élasticité est avantageusement plus grande que la première limite d’élasticité Ysl. Ceci permet de rendre plus rigide la lèvre d’extrémité de l’élément tubulaire (2), la lèvre d’extrémité étant la partie de l’élément tubulaire (2) située entre le filetage (5) et l’extrémité distale (8). Cette rigidité plus forte est donc aussi obtenue au niveau de la surface d’étanchéité (10). En conséquence, lorsque, en utilisation, l’élément tubulaire est soumis à des contraintes telles qu’une pression externe, une flexion, la lèvre d’extrémité rigidifiée par le segment se déforme moins, et la surface d’étanchéité maintient un contact plus longtemps avec une surface d’étanchéité correspondante sur un élément tubulaire correspondant. Les performances en étanchéité de la connexion sont améliorées. Cette performance améliorée peut être obtenue sans augmenter l’interférence au niveau des surfaces d’étanchéité en contact dans un joint formé de deux connexions, ce qui permet de ne pas augmenter les risques de grippage à l’assemblage des connexions. Avantageusement, la surface d’étanchéité est constituée d’une matière de plus grande résistance élastique et peut développer une pression de contact plus grande à interférence équivalente par rapport à une connexion de l’état de l’art.

[34] Le segment (11) est un ajout de matière agencé de manière à renforcer la rigidité structurelle de la lèvre d’extrémité d’un élément tubulaire. La plus haute limite d’élasticité Ys2 du segment permet de réduire le volume d’encombrement de matière ajoutée. Ainsi, la lèvre d’extrémité est plus rigide à encombrement équivalent par rapport à une connexion de l’état de l’art.

[35]Des tests menés ont permis de constater qu’une différence de limite d’élasticité telle que la seconde limite d’élasticité Ys2 du segment (11) est supérieure ou égale à 1,15 fois la première limite d’élasticité du corps Ysl permet d’obtenir une amélioration significative. Lorsque la seconde limite d’élasticité Ys2 du segment (11) est supérieure ou égale à 1,3 fois la première limite d’élasticité du corps Ysl, la performance obtenue est encore meilleure.

[36]Le segment (11) peut être réalisé dans un acier présentant la même composition chimique que l’acier du corps (4) et qui présente une deuxième limite d’élasticité Ys2 néanmoins supérieure à la première limite d’élasticité Ysl du corps, du fait d’une structure cristalline distincte. Cette structure cristalline distincte est obtenue par un traitement thermique. Une méthode très satisfaisante à ce jour est d’effectuer un dépôt de matière du segment par une méthode de fabrication additive connue, qui permet de déposer des gouttes de matière en fusion qui subissent un refroidissement rapide lors du dépôt, ce qui crée un acier à limite d’élasticité supérieure à celle de l’acier du corps (4) qui est mis en forme par des méthodes entraînant un cycle de refroidissement plus long.

[37]Alternativement, le segment (11) peut être réalisé dans un deuxième acier de composition chimique distincte de celle du premier acier du corps (4), le deuxième acier du segment présentant de manière inhérente une limite d’élasticité plus élevée que le premier acier du corps (4). Dans ce cas, la matière du segment (11) est également déposée par un procédé de fabrication additive. Par exemple, un tel acier peut être choisi parmi un alliage Ferro 55 des sociétés Boehler-Voestalpine, Deloro-Stellite-Kennametal, Carpenter, Erasteel, Hoganas. L’acier peut être choisi les aciers alliés, fortement alliés, alliages cupro-nickel, alliages de titane, céramiques, vitrocéramiques, ou cuivre, cupronickel, stellite, ferrochrome, ayant des limites d’élasticités convenables pour une utilisation sur un élément tubulaire.

[38]Un autre avantage d’avoir une surface d’étanchéité (10) réalisée dans le segment (11) est d’avoir une homogénéité de matière entre la matière de la surface d’étanchéité et de la zone dans laquelle se développent les contraintes de matière générées par les pressions de contact sur la surface d’étanchéité, et la matière supportant cette zone, et d’ homogénéiser la répartition des contraintes.

[39]Le segment (11) de la figure 1 doit avoir une longueur d’au moins 4 mm. On entend par longueur la taille du profil du segment mesurée axialement, selon l’axe (X). Ceci permet d’obtenir un effet de rigidification de la lèvre au niveau de la surface d’étanchéité, et de couvrir différentes positions d’un point d’étanchéité lorsque l’élément tubulaire est soumis à différentes contraintes, les surfaces d’étanchéités en contact pouvant bouger l’une par rapport à l’autre d’une certaine distance. Préférentiellement, le segment (11) a une longueur axiale au moins égale à la longueur axiale de la surface d’étanchéité et de la distance axiale de la surface d’étanchéité à l’extrémité distale, additionnée de 2 mm afin de renforcer l’effet de rigidification.

[40] L’élément tubulaire (20) de la figure 2 est similaire à celui de la figure 1, à la principale différence que l’extrémité de l’élément tubulaire (20) est une extrémité femelle. L’élément tubulaire (20) comprend un segment (21) comprenant une surface d’étanchéité (22) et s’étendant jusqu’à l’extrémité distale (28) que le segment (21) comprend.

[41] Le segment (11, 21) a une longueur axiale d’au moins 4 mm. Préférentiellement, le segment (11, 21) a une longueur axiale au moins égale à la longueur axiale de la surface d’étanchéité et de la distance axiale de la surface d’étanchéité à l’extrémité distale, additionnée de 2 mm afin de renforcer l’effet de rigidification. Ces valeurs de longueur minimale s’appliquent également aux autres modes de réalisation.

[42] Dans un autre mode de réalisation, l’élément tubulaire (30) de la figure 3 est représenté assemblé avec une connexion femelle (40) pour former un joint avec la connexion mâle (31) de G élément tubulaire (30), ladite connexion femelle (40) étant partiellement représentée. La connexion femelle (40) comprend un filetage (41). L’élément tubulaire (30) comprend un filetage (5), un corps (4), le corps (4) comprend une première surface (3) sur laquelle est ménagé une première partie (35) du filetage (5). L’élément tubulaire comprend une extrémité distale (38), ladite extrémité distale comprenant une surface de butée (39). Une surface de butée est orientée sensiblement radialement, et est agencée pour entrer en contact avec une surface de butée complémentaire d’une connexion d’un élément tubulaire correspondant avec lequel l’élément tubulaire (30) est assemblé.

[43]Le segment (31) s’étend depuis l’extrémité distale (38), comprend la surface d’étanchéité (36) et s’étend du côté opposé à l’extrémité distale (38) de manière à comprendre une portion de filetage (5), ou deuxième partie de filetage (45), ladite deuxième partie de filetage comprenant une dent en prise du filetage (5). Par dent en prise on entend une portion de filetage s’étendant substantiellement sur un tour autour de l’axe (X) qui est en contact à l’état assemblé avec la dent du filetage femelle correspondant de l’extrémité filetée correspondante du joint fileté. Ainsi, ladite dent en prise est dans une matière avec une limite élastique Ys2 plus grande que la limite élastique de la matière du corps (4). Ladite dent en prise est donc plus rigide. De plus, ladite dent en prise appartenant au même segment (31) que la surface d’étanchéité (36), la raideur axiale est augmentée sur la lèvre d’extrémité, les écarts de positionnement de la surface d’étanchéité sous contrainte de traction et de compression sont réduits. Par ailleurs, cette dent est souvent soumise à des sollicitations mécaniques plus importantes que d’autres dents. Il y a donc un effet supplémentaire qui est l’augmentation de la résistance de la dent sans avoir à augmenter sa taille. Dans l’exemple représenté, le segment comprend une dent en prise (45) qui est la première dent en prise du filetage mâle (5). Le segment peut comprendre d’autres dents en prise.

[44] Aussi, particulièrement lorsque la dent en prise est la première dent en prise, est comprise dans le segment et ayant une résistance élastique plus élevée que le corps, alors la première dent en prise a une meilleure tenue au cisaillement. Le risque de « jump-out », ou saut de dent, est réduit.

[45]Pour tous les modes de réalisation, le segment (11, 21, 31) ne comprend pas de porosité ou de canal permettant de laisser passer du gaz ou des liquides. Le segment ne comprend pas d’évidement pour loger un capteur. Ces caractéristiques peuvent s’appliquer à tous les modes de réalisation décrits dans la présente demande.

[46]Aussi, l’élément fileté tubulaire (2 ; 20 ; 30) des modes de réalisation décrits peut comprendre un corps (4) ayant un premier module d’Young El alors que le segment (11 ; 21 ; 31) aun deuxième module d’Young E2 supérieur à El. Ainsi, la partie de l’élément fileté tubulaire où se situe le segment a une déformation moindre principalement sous l’effet d’efforts de compression ou de traction, diminuant les variations de position axiale de l’étanchéité.

[47] Des tests comparatifs ont été menés entre une connexion de l’état de l’art et une connexion, ladite connexion étant obtenue à partir d’une connexion de l’état de l’art en la modifiant pour incorporer un segment selon le premier mode de réalisation conforme à la figure 1, le segment étant complètement situé dans un évidement. Le diamètre nominal de connexion est de 177,8 mm (7 pouces), l’acier de base est un alliage PI 10 selon la norme API 5CT. Le segment est également en acier PI 10, rapporté par fabrication additive, plus précisément par projection de poudre par laser. Des essais de vissage puis des essais d’étanchéité sous contrainte ont été menés avec les pièces réalisées. Un essai de vissage est une série de 10 assemblages/désassemblages. L’étanchéité est testée sur les méthodes de pression interne au gaz, puis pression externe au liquide. Lors des tests de vissage, aucun des spécimens de test selon l’invention n’ont souffert de grippage. Aucun des exemples comparatifs n’ont souffert de grippage. Cependant, tous les exemples comparatifs ont échoué aux tests d’étanchéité, alors que tous les spécimens selon l’invention ont réussi les tests d’étanchéité, les tests d’étanchéité ayant été menés au sens de la norme API 5C5. Ainsi, l’invention permet d’augmenter les performances d’étanchéité sous contrainte par rapport à une connexion ne comprenant pas l’invention, sans que la performance en grippage ne soit affectée.

[48] Selon un autre aspect, l’invention porte également sur un procédé pour obtenir un élément tubulaire fileté comprenant un segment. Ce procédé comprend l’étape de choix d’un élément tubulaire avec un filetage, puis dépôt de matière à l’extrémité de l’élément tubulaire.

[49] Le dépôt de matière peut se faire selon un procédé choisi parmi les procédés de rechargement, les procédés de fusion par faisceau d’électrons, les procédés de fusion laser sur lit de poudre métallique ou « sélective laser melting », les procédés de frittage sélectif par laser, les procédés de dépôt métallique direct ou « Direct Energy Déposition », les procédés de Dépôt par Projection de Liant ou Dépôt par Projection Laser, les procédés de dépôt par fabrication additive arc-fil. [50]Après dépôt de matière de façon à réaliser le segment, l’élément tubulaire est usiné au niveau de l’extrémité distale afin de réaliser une surface d’étanchéité, optionnellement une surface de butée, optionnellement encore une portion de filetage.