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JONCTION VISSEE A FILETAGE CONIQUE FRETTANT
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La présente invention est relative à une jonction vissée destinée à assurer l'aboutement d'éléments de tige ou tube du type dans lequel un embout male présentant un filetage conique frettant comportant au moins une portée de joint formant butée de limitation de vissage est vissé dans un élément femelle présentant un taraudage correspondant.
L'invention trouve sa principale application dans les forages pétroliers et miniers. Elle procure une jonction vissée pour l'assemblage de trains de tiges convenant parfaitement pour les forages profonds et les forages intentionnellement devins.
La mise en oeuvre d'outils de forage nouveaux, tels que, par exemple, les couronnes garnies de plaquettes diamantées requérant des couples plus elev6s que les trépans classiques a rendu nécessaire l'utilisation de tables de rotation plus puissantes, capables de transmettre des efforts plus importants mais également d'assurer des vitesses de rotation plus levEes, et ce parfois malgré des deviations importantes imposées par les forages dirigés.
Ces exigences nouvelles imposent aux tiges de forages et en particulier, aux jonctions filetées, des sollicitations extrament säveres, tant en ce qui concerne
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Les contraintes de cisaillement, torsion, traction t compression engendrent la fatigue du corps de filetage.
Ces exigences extremes sont a l'origine d'ailleurs de la ruine de nombreux filetages.
Pour maltriser les effets de fatigue il est connu d'appliquer aux elements assembler par aboutement, une pré-
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contrainte de couple déterminée par calcul, base de donn & es l6 le couple de serrag'ä
Parmi les divers types de raccords filet6s qui ont été développés, on connalt en particulier celui decrit dans le brevet européen n* 0 044 778.
Une port6e de joint, formant butte comporte une surface annulaire tronconique concave usinaeä l'extrémité male d'un tube, qui vient prendre appui, lors du serrage, sur une surface annulaire tronconique convexe disposée à l'interieur de l'élément femelle au-delà du filetage. Un filetage extérieur conique est prévu à l'extrémité de l'embout male pour coopérer avec le taraudage conique correspondant de l'element femelle. Ce filetage est de preference un filetage trapézoîdal s'évanouissant ä la surface exterieure de l'element male. Le joint comporte une ou plusieurs surfaces de butée à l'extremit6 de l'élément male et éventuellement ä la base du filetage, suceptibles de coop6rer avec une ou plusieurs surfaces de
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butée de l'element femelle.
L'angle d'ouverture de cone des filets normalises par l'American Petroleum Institute et dénommés API REGULARPULL HOLE est de l'ordre de 8à 15, de manière ä assurer
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des efforts radiaux importants par quelques tours de serrage seulement.
Cet angle d'ouverture permet egalement d'introduire les elements ä abouter profondément et de sauter plusieurs spires afin de pouvoir visser les AlAments en quelques tours de rotation.
Il permet également de largement dimensionner les buttes et d'assurer l'étanchéité da 1a jonction au niveau de la butée.
La plupart des dafaillances constatées dans les trains de tiges mettant en oeuvre les jonctions susdites, sous les conditions sévères des nouvelles techniques de forage, sont localisées au voisinage immédiat des butées de limitation de vissage et se présentent sous l'une des formes suivantes :
1. renflement de la zone d'alésage de l'element femelle au voisinage de la butée extérieure et renforcement annulaire simultannd de l'embase male par fluage ;
2. brisure nette du type fragile du corps de l'embout male au niveau de la dernière spire ou de la zone d'alésageadjacenteàcettespireetàlabutée extérieure ;
3. brisure nette dela douille de l'élément femelle au niveau de la spire d'entrée du filetage ou de la portion du tube alésée adjacents à la butée extérieure.
4. brisure nette de l'embout male au niveau de la
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première spire ou'encore du nez de l'embout adjacent ä la butée intérieure de la jonction vissée ;
5. brisure nette de l'element femelle au niveau de la zone alésée coopérant avec le nez de l'embout male ?
6. deformation des fonds de filet exposes ä des tensions excessives ou ä un effet de fatigue due aux flexions relatives répétées.
La présente invention vise ä remédier aux inconvenients susdits. Dans ce but, elle propose une jonction filetee conique jouissant de performances inattendues.
Le gain de résistance ä la torsion resulte de la combinaison d'un angle de cöne faible Interieur ä 30 et d'un grand pas. La tangente de l'hélice doit cependant etre inférieure au coefficient de friction de 0. 08 généra- lement avance par l'American Petroleum Institute API pour assurer l'indesserrabilite des pièces et augmenter la valeur admissible du couple de serrage du joint.
Gräce à son angle d'hélice ou inclinaison importante le filetage selon l'invention permet de moins sölliciter les butées de limitation de vissage pour un couple de serrage donne. 11 permet donc d'augmenter la valeur admissible du couple de serrage de manière ä assurer au niveau des butées une précontrainte de pression'suffisante pour prévenir la fatigue. En augmentant en outre, l'inclinaison du filetage, il permet de repartir les contraintes sur un plus grand volume de matière pour un profil donné du filetage. On parvient à reprendre ainsi sans dommage des effets dynamiques intempestifs, par exemple en cas de blocage.
Il facilite l'introduction de l'embout male dans l'élément femelle, en permettant le contact des deux pieces a assembler sur un plus grand nombre de spires.
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Il réduit le nombre de tours ä communiquer aux éléments pour les assembler et rend plus facile le desserrage.
Dans une forme de réalisation particulière, on choisit une profondeur de profil teile que l'emboitement Åae l'embout male dans l'élément femelle s'effectue sur plusieurs spires sans tolérer ni de chevauchement ni de saut d'une spire ä la suivante.
La présente invention propose une jonction vissée destinée à assurer l'aboutement d'éléments de tige ou tube du type dans lequel un embout male présentant un filetage conique frottant comportant au moins une portée de joint formant butée de limitation de vissage est visse dans un élément femelle présentant un taraudage correspondant, essentiellement caracteris. & e en ce qu'elle presente un filetage A au moins deux filets.
Selon une particularité de l'invention, elle présente
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au nez de l'embout male et ä la base de l'embout male, ainsi que dans l'introduction et au fond de l'avant-trou de l'élément femelle un stand-off frettant d'un angle d'ouverture de cône compris entre 1 et 3*.
Dans une forme de r6alisation particulière, on prévoit une des gorges de decharge le long des corps de l'embout male avant de butée extérieure et le long de l'élément femelle au voisinage de la butée intérieure.
Dans une seconde forme de realisation, on prévoit une gorge de decharge dans le nez de l'embout male avant la butée extérieure et le long de la zÏne dite d'alesage de 1'é1ément femella au voisinage de la butes intérieure.
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Ces particularités et d'autres details de l'invention apparaltront au cours de la description détaillée suivante faisant référence aux dessins ci-annexés illustrant A titre d'exemple une forme de réalisation particulière de l'invention.
Dans ces dessins : - la figure 1 est une vue en élévation latérale d'un embout male d'une jonction vissee selon 1 I invention ; - la figure 2 est une une vue en coupe axiale d'une jonction vissée analogue a celle de la figure 1 ; - la figure 3 est une demi-coupe axiale d'une jonction vissée dont les elements portent des gorges de de- charge ä l'exterieur des zones frettantes, et - la figure 4 est une demi-coupe axiale semblable ä la figure 2 d'une jonction vissée dont les éléments portent des gorges de décharge ä l'intérieur des zones frettantes.
Dans ces figures, les memes notations de référence designent des éléments identiques ou analogues.
Comme illustré à la figure 1, une jonction vissee désignée dans son ensemble par la notation de référence 1, assure l'assemblage d'un embout male 2 dont le corps est garni d'un filetage conique ä un ou plusieurs filets dont deux seulement sont montres ä la figure 1, à savoir les filets 3 et 4, et d'un élément femelle 5 dans lequel est ménagé un avant-trou 6 muni d'un taraudage correspondant au filetage susdit.
L'invention concerne en particulier les filetages
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coniques présentant un angle de conicité compris entre 1 et 3 .
La surface de base des filets en contact des elements male 2 et femelle 5, est engendrée par le déplacement hélicoidal le long du corps et avant-trou conique susdits, d'un profil de base dont un côté appelé flanc reste parallèle a l'axe de l'hélice du filetage. Diverses formes de profil générateur sont possibles, de maniere à procurer un filet triangulaire, trapézoïdal, carre ou rond.
Des filetages susdits, le filetage trapézoldal est le plus facile à usiner, du moins lorsqu'il s'agit d'une tige ou d'un avant-trou cylindrique.
Lorsqu'il s'agit de la fabrication d'une jonction filetee conique, les opérations sont bien plus ardues. En raison de cette complexite seul des filetages coniques a un seul filet ont et6 realises ä ce jour.
Le filetage y est constitué d'une seule rainure formant des spires jointives. Un vissage par rotation d'un tour complet d'un. element par rapport ä l'autre, entraîne un déplacement axial dlune distance égale au pas du filet déterminé lui-meme par'la largeur de la rainure. Dans ce cas, les filetages possedent une faible inclinaison α de quelques degres qui permet de bloquer les pieces assem- blees.
Dans un filetage conique, le diamètre du noyau ou de l'avant-trou diminue tandis que l'inclinaison ss de l'he- lice augmente au fur et ä mesure qu'on se rapproche du sommet du cône supportant le filetage conique. L'allure
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conique du noyau'soumet de maniere connue, la jonction vissée à des efforts cylindriques. Lorsque l'extrémité d'un élément male d'un filetage conique s'approche d'une butee de limitation de vissage 6 de l'élément femelle 5, les efforts radiaux prennent naissance au niveau du filetage et/ou des autres surfaces frettantes. Ces efforts radiaux tendent â réduire le diamètre de filetage de l'element male et ä accroitre le diamètre de filetage de l'element femelle.
Lorsque l'inclinaison de l'hélice est faible, le couple de serrage entraine aisement une defor- mation permanente des surfaces frettantes.
L'espace libre séparant les surfaces destinees ä etre mises en contact l'une avec l'autre pour former une butée de limitation de vissage est connu sous le nom de stand-off7 (figure 2).
La portion de tube 2 comprise entre la butée extérieure6 de limitation de vissage et le premier filet3 est eventueel- lement munie d'une gorge de décharge 8 illustrée aux figures2 et 4 et destinee Åa déflechir les lignes de force.
On comprend qu'un filetage de faible conicite permet un stand-off ? important, inversement proportionnel ä l'angle d'ouverture du cÏne du filetage conique.
Le stand-off 7 doit être dimensionné de telle maniere qu'un surcouple de serrage procure un assemblage. rigide sans provoquer la ruine du filetage de la jonction
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vissee 1.
Ce fait de prevoir plusieurs entrées dans un filetage conique ä double butee procure des paramètres nouveaux
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permettant de mieux contrôler et mieux repartir les efforts transmis aux divers filets. 11 permet entre autre, de multiplier par un nombre entier, compris entre 2 et 6, l'inclinaison des filets et de modifier d'un meme facteur le rapport entre l'angle d'ouverture du cône nécessairement inférieur à 30 et ladite inclinaison/3 du filetage.
En augmentant l'inclinaison du filetage, on renforce la contribution des filets coniques A la transmission d'un couple de torsion puisque le deplacement axial dO au deplacement angulaire donne, s'accrolt et diminue de ce fait la pression exercée sur les butées qui sont ainsi moins sollicitées.
Pour assurer l'indesserrabilité de la jonction vissee, l'inclinaison du filetage doit être inférieur au coefficient de friction, ä savoir inferieur a 0. 08, qui est la valeur généralement avancée par l'American Petroleum Institute.
Rappelons ce sujet que les couples de torsion, dans un raccord fileté deux butées se transmettent pour environ 40% par le filetage et pour 60% par les butees de limitation de vissage. La pression de contact de butees de limitation de vissage correctement en contact l'une avec l'autre apres avoir appliqué en couple de serrage adéquat, est destine ä assurer l'étanchéité de la jonction de deux tubes. Elle atteint généralement plusieurs centaines de kilogrammes par centimetre carrb et peut même atteindre des valeurs allant de 5 ä 8 t/cm'lorsqu'i1 y a flexion dans le train de tige au cours de l'opération de forage, par exemple en raison du flambage du train ou de tiges sous le poids des masse-tiges.
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La géométrie proposee suivant l'invention consiste en un angle d'ouverture αdu cône de l'ordre de 2 à 3"seulement et une inclinaison ss de l'hélice deux à six fois plus élevé que les filetages coniques connus, gräce à la mise en oeuvre de filets multiples 3, 4.
La combinaison d'un angle d'ouverture du cöne infe- rieur à 3 et d'un pas p deux à six fois plus grand que dans les filetages connus, permet de maltriser l'effet frettant et de répartir les contraintes auxquelles sont soumis les filetages sur un plus grand volume de matiere.
11 permet d'augmenter le couple de serrage admissible et le couple de rupture. (Figure 3) Le fait de prévoir une double butée 6, 9, definite dans les limites de la precision d'usinage des filets et
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endéans les limites donnes par l'élasticité du filet, permet de repartir les efforts de pression sur deux butées6, et d'accroltre ainsi le couple de serrage admissible et le couple de rupture.
L'effet obtenu par une deuxième butee est avant tout de faire participer l'ensemble du filetage aux efforts de torsion et non pas d'augmenter l'étanchéité de la jonction vissée 1.
Le fait de choisir un profil trapezoldal ayant des flancs travaillant essentiellement différemment permet de réduire les phénomènes de fatigue susceptibles d'entrainer la rupture de l'embout male 2 par flexion alternbe rotative, tout en transmettant un couple de torsion importante.
La figure 2 montre une forme de réalisation particu-
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lière dans laquelle on remarque des gorges de décharge internes 8 et externes 10, le long des corps de l'embout male 2 ayant la butée extérieure 6 et le long de l'element femelle au voisinage de la butee intérieure 9
Dans la figure 4, on montre des gorges de decharge 11, dans le nez 12 de l'embout male 2 avant la butée extérieure 6 et le long de la zone dite d'alésage13 de l'element femelle 5 au voisinage de la butée intérieure 9.
11 est évident que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisations decrites ci-dessus et que de nombreuses modifications peuvent etre apportees ä ces dernières sans pour autant les soustraire du cadre de la presente invention, du moins si elles ne vont pas è l'encontre des revendications suivantes.
L'invention s'appligue egalement aux joints du type manchonné dans lesquels deux éléments mâles, dont les filetages et les butées sont usinés dans la seule epaisseur du tube, sont reliés entre eux. par un manchon qui constitue un double élément femelle.