Titre : JOINT FILETE AVEC EPAULEMENT REALISE PAR FABRICATION

ADDITIVE

L'invention concerne les composants filetés tubulaires en acier et plus particulièrement un joint fileté tubulaire comprenant un épaulement réalisé par fabrication additive, pour le forage, l'exploitation des puits d'hydrocarbures ou pour le transport de pétrole et de gaz.

On entend ici par "composant" tout élément ou accessoire utilisé pour forer ou exploiter un puit et comprenant au moins une connexion ou connecteur ou encore extrémité filetée, 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 élément tubulaire de relativement grande longueur (notamment d'environ une dizaine de mètres de longueur), par exemple un tube, ou bien un manchon tubulaire de quelques dizaines de centimètres de longueur, ou encore un accessoire de ces éléments tubulaires (dispositif de suspension ou « hanger », pièce de changement de section ou « cross-over », vanne de sécurité, connecteur pour tige de forage ou « tool joint », « sub », et analogues).

Les joints tubulaires sont dotés d'extrémités filetées. Ces extrémités filetées sont complémentaires permettant le raccordement de deux éléments tubulaires mâle (« Pin ») et femelle (« Box ») entre eux. Il y a donc une extrémité filetée male et une extrémité filetée femelle. Les extrémités filetées dites premium ou semi-premium comportent généralement au moins une surface de butée. Une première butée peut être formée par deux surfaces de deux extrémités filetées , orientées de façon sensiblement radiale, configurées de façon à être en contact l'une avec l'autre à l'issue du vissage des extrémités filetées entre elles ou lors de sollicitations de compression. Les butées ont généralement des angles négatifs par rapport à l'axe principal des connexions. On connaît également des butées intermédiaires sur des joints comportant au moins deux étages de filetage.

Lors de la connexion d'un joint fileté tubulaire, il est fréquent que des graisses, fluides, gaz ou tout autre produit similaire s'encastrent dans les espaces (ou espacement) demeurés libres après connexion des filets mâle et femelle. Ces espaces peuvent être confinés ou fermés, par exemple, par des surfaces d'étanchéité métal-métal en contact d'un côté et des surfaces de butée mâle et femelle qui entrent en contact d'un autre côté. Ces espaces peuvent également être confinés par la connexion des filets mâles et femelles d'un côté et de la surface de butée mâle qui entre en contact avec une surface de butée femelle de l'autre côté, comme dans le cas des connexions semi-premium qui ne comportent pas de surfaces d'étanchéité métal- métal. Cette graisse pose des problèmes de contraintes majeures sur les tubes en créant une pression non souhaitable au niveau des connexions desdits tubes. Ces pressions peuvent engendrer notamment des problèmes de déformations, dévissage, gonflement... et autres effets indésirables pouvant fragiliser la connexion des tubes pouvant conduire à des accidents majeurs lors de l'installation ou de l'utilisation des tubes dans les puits d'exploitation, de forage ou encore lors du transport (ex : pipelines).

En effet, dans le cas d'une étanchéité dite interne, où la partie femelle, présentant par construction une rigidité supérieure à celle de la lèvre de la partie mâle, fait face à la lèvre de la partie mâle. La lèvre de la partie mâle tend alors à se déformer vers l'intérieur. La déformation radiale vers l'intérieur de la lèvre de la partie mâle réduit la pression de contact au niveau de la portée d'étanchéité, permettant alors une fuite du fluide vers le filetage et l'extérieur de la connexion. Il peut en résulter, outre une perte de fluide circulant à l'intérieur des tubes et une baisse de productivité du puits, une contamination du fluide présent à l'extérieur du tube par un fluide présent à l'intérieur du tube, mais également une déformation permanente de la lèvre de la partie mâle. Par ailleurs, la déformation radiale de la lèvre peut entraîner des fuites lorsque le joint fileté est soumis à nouveau à des pressions élevées de fluide intérieur ou extérieur.

En outre, la déformation radiale de la lèvre peut entraîner des pertes d'intégrité structurelles en compression et des accrochages d'outils déplacés intérieurement dans les tubes.

On connaît de l'art antérieur la solution proposée par le brevet US 2010/0301603 Al concernant une invention dans le domaine des joints filetés tubulaires supérieurs utilisés pour connecter les tubes en acier, tels que des tubes de forage, par exemple intérieur ou extérieur. Il est divulgué notamment que l'étanchéité aux fluides (liquides ou gaz) sous forte pression résulte d'un serrage radial mutuel des portées d'étanchéité. L'intensité du serrage radial est fonction du positionnement axial relatif des éléments filetés mâle et femelle et est donc définie par la mise en butée de ces éléments par des butées de vissage. Ce document a pour but d'améliorer l'étanchéité du joint fileté tubulaire, et notamment du joint fileté tubulaire dans sa structure prête à l'emploi. Ce document propose comme solution d'aménager une concavité de fuite dans l'une des parties filetées mâle ou femelle pour mettre en communication une chambre formée entre la portion distale de lèvre et la surface correspondante de l'autre partie filetée avec l'intérieur du joint.

Cependant dans le cadre de ce document l'aménagement de la concavité de fuite est fait au moyen d'un perçage direct du tube, par exemple par tournage.

La solution d'une intervention « directe » de type perçage dans un élément tubulaire ou une partie de cet élément tubulaire déjà préconçu ou produit présente un certain nombre d'inconvénients. Les dimensions de perçage sont nécessairement importantes, elles peuvent nuire à l'intégrité de la lèvre et augmenter le risque de plastification. Par ailleurs, une solution d'intervention directe de type usinage de surface de butée génère des éléments coupants à la surface de la concavité de fuite. De plus, la réalisation d'une concavité sur une surface de butée réduit le couple mécanique admissible par ladite surface de butée et augmente le risque de grippage. Enfin, générer une concavité de fuite crée une concentration de contrainte supplémentaire et indésirable autour de ladite concavité de fuite. A tous ces inconvénients propres aux conséquences d'aménagement direct d'une concavité de fuite, s'ajoutent les difficultés d'usinage, à savoir également que le fait de générer une concavité de fuite par perçage se révèle coûteux en temps, notamment en augmentant le temps de cycle de production et qu'il s'agit d'un procédé difficile à contrôler justifiant de coûts élevés de production.

On connaît de l'état de l'art le brevet W02013108931 qui divulgue un ensemble connecteur pour interconnecter des éléments tubulaires. Ce document divulgue plusieurs passages aménagés en surface de butée

Le perçage direct présente donc plusieurs inconvénients, à savoir diminuer le couple admissible par exemple de l'ordre de -10% à cause d'une perte de matière conséquente. Un problème de contraintes supplémentaires dans la matière des connexions dues aux diamètres des canaux réalisés par perçage qui sont élevés. Aussi, l'usinage le long d'une surface de butée complexe de ce type de canaux oblige à adopter une trajectoire d'outil de coupe qui détériore l'outil de coupe et augmente le risque de création de bavures lié à la coupe de la matière, augmentant le risque de grippage.

La présente invention a pour but de résoudre les problèmes de l'état de l'art cité, en réalisant une partie ajoutée par fabrication additive.

L'invention consiste donc en un joint fileté tubulaire (1) pour le forage, l'exploitation des puits d'hydrocarbures ou le transport de pétrole et de gaz comprenant un élément tubulaire fileté mâle (2) et un élément tubulaire fileté femelle (3), l'élément tubulaire fileté femelle (3) comprenant une partie filetée intérieure femelle (5) et une partie non filetée femelle (6), l'élément tubulaire fileté mâle comprenant une partie filetée extérieure mâle (7) et une partie non filetée mâle (8), caractérisé en ce que l'élément tubulaire mâle (2) ou femelle (3) comprend un corps (4) et une partie ajoutée (9) par fabrication additive qui comprend au moins une première surface de butée.

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) dans lequel ladite première surface de butée est une surface de butée mâle intérieure (10a) ou extérieure (10b), ou une surface de butée femelle intérieure (lia) ou extérieure (11b), ladite surface de butée mâle intérieure ou extérieure étant apte à entrer en contact avec une surface de butée femelle correspondante, caractérisé en ce que la partie non filetée mâle (8) ou la partie non filetée femelle (6) comprend au moins une lèvre intérieure (12a) ou extérieure (12b) ajoutée par fabrication additive.

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire est caractérisé en ce que la partie ajoutée (9) est réalisée 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.

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce que la partie ajoutée présente une dureté supérieure à la dureté du corps (4) sur au moins 1 mm de profondeur.

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce que la partie ajoutée présente un coefficient de frottement supérieur au corps (4). Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce que la partie ajoutée (9) comprend un métal choisi parmi les aciers alliés, fortement alliés, alliage cupro nickel.

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce que chacun des éléments tubulaires mâle (2) et femelle (S) présentent une surface d'étanchéité métal-métal (15) frusto-conique et/ou torique d'un côté et de l'autre côté le contact entre les surfaces de butées mâle (10a) et femelle (lia) délimitant ainsi un espace fermé (1S).

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce que la partie ajoutée (9) comprend au moins un canal (17).

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce que le canal (17) s'étend depuis une surface délimitant un espace fermé mâle (14a) ou une surface délimitant un espace fermé femelle (14b) jusqu'à une surface latérale intérieure mâle (18a) ou une surface latérale intérieure femelle (18b) ou jusqu'à une surface latérale extérieure mâle (19a) ou une surface latérale extérieure femelle (19b).

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce que le canal (17) est à une distance prédéterminée d'au moins 2 mm de la surface de butée en contact à l'état assemblé du joint.

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce que le canal (17) est à une distance prédéterminée d'au moins 2,5 fois le diamètre du cercle circonscrit d'une section du canal par rapport aux surfaces de butées en contact à l'état assemblé du joint.

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce que le canal (17) s'étend en surface de la butée mâle ou femelle.

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce que le canal (17) est situé dans la partie ajoutée de telle manière qu'il débouche d'une part dans l'espace fermé (13) à proximité de la surface de butée et débouche d'autre part vers une surface latérale.

Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce qu'un canal (17) s'étend linéairement, axialement, radialement ou en combinaison. Selon un mode de réalisation, le joint fileté tubulaire (1) est caractérisé en ce que la profondeur de la partie ajoutée comprenant le canal (17) correspond à au moins 4 fois le diamètre circonscrit de la section du canal.

L'invention comprend également un procédé de réalisation de la partie ajoutée parfabrication additive selon la description suivante :

Un procédé pour obtenir un joint fileté tubulaire en ce que la partie ajoutée (9) est réalisée 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.

Par exemple des essais ont été réalisés avec des matériaux de type Fero 55 et stellite avec un procédé de dépôt métallique direct.

Alternativement on peut réaliser la partie ajoutée (9) avec des matériaux de type alliage cupro-nickel ou acier micro-allié en utilisant par exemple une technique additive « Arc-fil ».

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés.

[Fig 1] décrit de façon schématique, dans une vue de coupe longitudinale, un joint fileté tubulaire selon un premier mode de réalisation dans lequel la partie ajoutée de l'élément tubulaire mâle est réalisé par fabrication additive.

[Fig 2] décrit de façon schématique, dans une vue de coupe longitudinale, un joint fileté tubulaire selon une variation du premier mode de réalisation dans lequel la partie ajoutée de l'élément tubulaire fileté mâle comprend un canal en profondeur. [Fig B] décrit de façon schématique, dans une vue de coupe longitudinale, un joint fileté tubulaire selon un second mode de réalisation, dans lequel la butée femelle est réalisée par fabrication additive et comprend un canal situé dans la partie ajoutée. [Fig 4a] montre de façon schématique, en perspective, un joint fileté tubulaire selon l'invention.

[Fig 4b] décrit de façon schématique, en vue selon le plan (yOz), des dispositions d'un canal dans la partie ajoutée d'un élément tubulaire fileté mâle. [Fig 4c] décrit de façon schématique, en vue selon le plan (xOz), des dispositions d'un canal au niveau d'une lèvre d'un élément mâle en accord avec l'invention.

[Fig 4d] décrit de façon schématique, en vue selon le plan (xOz), des dispositions d'un canal au niveau d'une lèvre d'un élément femelle en accord avec l'invention.

[Fig 5] décrit de façon schématique, dans une vue de coupe longitudinale, un joint fileté tubulaire selon l'invention dans lequel la surface de butée extérieure femelle comprend une partie ajoutée réalisée par fabrication additive.

[Fig 6] décrit de façon schématique, dans une vue de coupe longitudinale, un joint fileté tubulaire selon l'invention dans lequel la surface de butée mâle extérieure comprends une partie ajoutée réalisée par fabrication additive. [Fig 7] décrit de façon schématique, dans une vue de coupe longitudinale, un joint fileté tubulaire selon une variante de la figure 5 dans lequel la partie ajoutée réalisée par fabrication additive comprends un canal.

[Fig 8] décrit de façon schématique, dans une vue de coupe longitudinale, un joint fileté tubulaire selon une variante de la figure 6 dans lequel la partie ajoutée réalisée par fabrication additive comprends un canal.

Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. Ils ne sont pas limitatifs quant à la portée de l'invention.

La figure 1 décrit un joint fileté tubulaire (1) avec une partie ajoutée (9) sur un élément tubulaire mâle (2). Cette partie ajoutée (9) est réalisée par fabrication additive et présente une profondeur « P » substantiellement axiale. Le joint fileté tubulaire (1) comprend des surfaces de butées intérieures mâle (10a) et femelle (lia) en contact interfèrent à l'état monté du joint. Ces surfaces de butées permettent de créer un couple de vissage important de manière à empêcher un dévissage non désiré et à permettre de mettre sous contrainte d'autres surfaces fonctionnelles du joint. Ces surfaces de butée en contact peuvent établir une certaine étanchéité à des liquides ou des gaz, spécialement lorsque le joint est soumis à une contrainte de compression. Cette étanchéité n'est pas souhaitée par le concepteur, mais subie. Le joint fileté tubulaire (1) comprend en outre des surfaces d'étanchéité métal-métal mâle et femelle établissant une étanchéité métal-métal (15). Cette étanchéité métal-métal (15) assure une étanchéité à l'état monté du joint et pendant l'utilisation du joint dans un large spectre de contraintes exercées sur le joint, telles que pression intérieure, pression extérieure, efforts de compression, efforts de traction. On peut visualiser sur la figure 1 que les graisses, fluides, gaz ou tout autre produit similaire s'encastrent dans un espace fermé (13) défini par l'étanchéité métal-métal (15) d'un côté, et de l'autre côté les surfaces de butées mâle (10a) et femelle (lia).

Selon une variante de l'invention la surface d'étanchéité métal-métal (15) est absente et une étanchéité est réalisée par les filets femelles (5) et mâles (7) à l'état vissés. L'espace fermé (13) est donc délimité d'une part par les surfaces de butées (10a, 10b, lia, 11b) et les filets femelles (5) et mâles (7).

Selon une variante de l'invention, la partie ajoutée (9) est réalisée par fabrication additive de telle manière à ce que la dureté est supérieure ou égale à celle de la partie non ajoutée, c'est- à-dire le corps (4) mâle ou femelle. Selon une autre variante de l'invention, la partie ajoutée (9) est réalisée par fabrication additive de telle manière à ce que le coefficient de frottement est supérieur à celui du le corps (4) mâle ou femelle.

L'invention permet également d'augmenter significativement le coefficient de frottement entre la partie ajoutée par fabrication additive et le matériau du corps de l'élément tubulaire correspondant, en comparaison avec le coefficient de frottement des corps de l'élément tubulaire mâle et femelle entre eux.

Une augmentation du coefficient de frottement s'accompagne par une augmentation la valeur de couple de vissage applicable lors d'une connexion de deux éléments tubulaires filetés. La dureté dépend notamment du type de matériau utilisé, mais les matériaux peuvent être sélectionnés de telle manière à ce que la dureté est supérieure dans la partie ajoutée (9) par rapport au corps (4) mâle ou femelle.

Selon un aspect de l'invention, la partie ajoutée (9) comprend un métal choisi parmi les aciers alliés, fortement alliés ou alliage cupro-nickel.

Avantageusement la fabrication additive permet à la fois d'aménager très facilement une cavité interne, un canal ou toute autre voie de passage, mais aussi de réduire significativement, en cas d'aménagement desdits voies de passages, les pertes de matière par rapport à une intervention directe par exemple par perçage ainsi que les déchets de productions. De ce fait, elle donne la possibilité de générer des voies de passages étroites et courtes contrairement à ce qu'il est possible de faire à partir de l'état de l'art, par perçage notamment.

Avantageusement l'invention permet de diminuer des opérations d'usinage coûteuses.

Avantageusement l'invention permet d'augmenter et d'améliorer la complexité géométrique de l'élément obtenu à travers un mode de construction couche par couche.

Avantageusement plusieurs parties différentes, par exemple avec une dimension, une complexité, un ou des matériaux différents, peuvent être construites ensemble et en même temps, ou alors ajoutées pendant la construction.

Avantageusement plusieurs fonctionnalités peuvent être ajoutées en regard d'un haut niveau de personnalisation.

La figure 2 décrit de manière analogue à la figure 1, un élément tubulaire mâle, dans lequel la partie ajoutée (9) réalisé par fabrication additive comprend cette fois un canal ou toute autre voie de passage, selon des diamètres à la fois contrôlables et plus ou moins réduits pour éviter une fragilisation de la partie ajoutée (9) due à un excès de retrait de matière, un canal trop large ou trop long.

Ainsi, le joint fileté tubulaire est perméable de manière à diminuer les risques de présence ou d'apparition d'une surpression dans un espace fermé du joint fileté, confiné par des surfaces réalisant des étanchéités. On entend par « perméable » tout moyen permettant de générer des voies de passages réalisées dans l'extrémité d'un composant tubulaire mâle ou femelle de manière à faire communiquer un espace fermé à la connexion et un espace extérieur à la connexion, pouvant se traduire par un ou plusieurs canaux présentant une dimension prédéterminée. Selon un mode de réalisation un canal présente une largeur ou un diamètre minimal de 0.2 mm.

Les formes de ce canal peuvent varier dans l'espace selon les plans (yOz), (xOz) ou (xOy).

Le canal est prévu au moment de la conception de la partie ajoutée lors de la fabrication additive de la partie ajoutée. Ceci permet de se passer d'aménagement ou de perçage direct ainsi que les inconvénients associés.

Selon l'invention, le joint fileté tubulaire est caractérisé en ce que l'épaisseur du dépôt doit correspondre à au moins 4 fois le diamètre du diamètre circonscrit de la section du canal. Il est essentiel de respecter cette condition pour éviter de générer des contraintes de fragilisation trop importante due au canal. Avantageusement un tel dépôt respectant ce paramètre permet précisément d'éviter que le canal aménagé par fabrication additive ne génère une trop grande concentration de contraintes autour dudit canal et donc de limiter le risque de plastification de matière à une zone de proximité du canal.

Avantageusement, un canal aménagé par fabrication additive permet la diffusion entre l'espace fermé (1S) et une surface latérale.

On admet dans le cadre de notre invention que ladite surface latérale est soit une surface latérale intérieure mâle, soit une surface latérale intérieure femelle, soit une surface latérale extérieure mâle ou soit une surface extérieure femelle.

La figure 3 décrit de manière analogue à la figure 2, selon un second mode de réalisation, un élément tubulaire femelle, dans lequel la partie ajoutée (9) réalisée par fabrication additive comprend un canal.

Le canal est prévu lors de la conception de la partie ajoutée (9) de telle manière à relier l'espace fermé (13) à la surface latérale intérieure femelle (18b). Avantageusement, lorsque c'est la surface de butée femelle qui comprend un canal, l'invention remplit l'objectif de permettre à des graisses, fluides, gaz ou tout autre produit similaire encastrés de pouvoir s'échapper et libérer l'espace fermé (13) . Etant donné que cette fois la lèvre mâle ne présente pas de canal, la question des contraintes ne se pose plus pour l'élément mâle. Elle ne se pose pas ou beaucoup moins lorsqu'il s'agit de la surface de butée femelle car le canal est aménagé de manière à se situer sur la partie non contrainte (i.e. zone exempte des contraintes fortes générées par le contact entre butées).

Le joint fileté tubulaire est caractérisé en ce que l'épaisseur du dépôt doit correspondre à au moins 4 fois le diamètre du diamètre circonscrit de la section du canal. Avantageusement un tel dépôt respectant ce paramètre permet précisément d'éviter que le canal aménagé par fabrication additive ne génère une trop grande concentration de contraintes autour dudit canal et donc de limiter le risque de plastification de matière à une zone de proximité du canal.

Les figures 4b et 4c schématisent les différentes dispositions possibles pour un canal (17) d'un élément tubulaire mâle (2). On retrouve notamment dans la figure 4b, dans une vue selon le plan (yOz) un canal (17) en profondeur d'au moins 0.2mm de largeur, avec une épaisseur « d » autour dudit canal qui doit être supérieure à 2 fois le diamètre du même canal.

Dans la figure 4c, le canal (17) est cette fois ci au niveau de la surface de butée mâle intérieure (10a) ou extérieure (10b) de l'élément tubulaire mâle (2). La figure 4d décrit de manière analogue à la figure 4c, un canal (17) au niveau de la surface de butée femelle intérieure (lia) ou extérieure (11b) de l'élément tubulaire femelle (3).

Les figures 5 et 6 décrivent des variantes de l'invention, selon une configuration en miroir de des figures 1, 2 et 3, dans lesquelles la partie ajoutée (9) réalisée par fabrication additive est située au niveau de la partie latérale extérieure d'un joint fileté tubulaire (1) soit au niveau de la surface de butée femelle extérieur (11b) pour la fig. 5 ou la surface de butée mâle extérieur (10b) pour la fig. 6.

La figure 7 décrit une variante de la figure 5 dans laquelle la partie ajoutée (9) réalisée par fabrication additive comprend un canal (17) ou tout autre moyen de diffusion. La figure 8 décrit une variante de la figure 6 dans laquelle la partie ajoutée (9) réalisée par fabrication additive comprend un canal (17) ou tout autre moyen de diffusion.