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Raccord à éléments filetés applicable notamment aux équipements de forage des puits.
Cette invention a pour objet un raccord de construction perfectionnée du type à éléments mâle et femelle avec épaule- ments spécialement applicable lorsque les organes réunis par ce raccord sont soumis à de grands efforts de flexion et d'impact tels que ceux qui se manifestent dans les raccords d'outils et dans les colliers des perforatrices comme ceux qui sont utilisés dans les installations servant au f orage des puits d'extraction de pétrole ou autres liquides par la méthode dite rotative.
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lorsqu'on utilise cette méthode rotative de forage des puits, on fait tourner le chapelet des organes de forage à des vitesses comprises entre 40 et 300 tours par minute.
Divers facteurs imposent de grands efforts à la tige de l'organe perforateur, en particulier des efforts de flexion variables de grande amplitude. Il se produit fréquemment des défaillances surtout dans le raccord entre l'organe mâle fileté et l'organe femelle taraudé qui le reçoit et qui cons- titue avec lui un raccord qui se répète un certain nombre de fois entre les divers colliers de l'équipement ou entre les jonctions qui sont utilisées pour relier entre elles les sections du tube de forage. Ces défaillances mécaniques con- tribuent grandement à renchérir les frais de forage à cause des pertes de temps, de la main d'oeuvre et du matériel qu'elles exigent tout en augmentant les hasards inhérents aux opéra- tions de forage de ce genre.
Diverses recherches ont permis de constater que le desserrage d'un joint qui se produit au cours du forage est une cause ordinaire de panne mécanique. Un pareil desserrage peut se produire pour diverses causes, en particulier parce que le métal du joint ou raccord cède en des endroits loca- lisés où se manifeste une pression élevée par suite d'une mauvaise répartition du lubrifiant et (ou) d'une accumulation de matière étrangère dans le joint ou bien encore à cause d'une usure du métal due à un mouvement relatif entre les organes ou pour des causes analogues. Il, s'ensuit du flottement dans la rotation des organes, des phénomènes d'érosion et même des ruptures et des fuites.
Dans certains cas, il se produit même une rupture effective de la partie filetée de l'organe
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de forage, et cette rupture exige un repêchage ou bien se traduit par un forage dévié avant que le forage correct puisse être repris. Si l'on obvie à cette avarie temporaire- ment en dégageant le chapelet des organes de forage et en resserrant, l'avarie ainsi occasionnée s'oppose à une répa- ration ultérieure convenable du raccord, de sorte que la panne de l'installation devient plus grave.
Il arrive d'ail- leurs fréquemment quand on fait descendre une.. section de tige de forage en vue d'assurer un raccordement avec une section précédente dans le puits qu'une partie mâle vient heurter contre l'épaulement de la partie femelle ou les filets inté- rieurs de celle-ci, ce qui s'oppose à l'alignement correct des,organes et provoque le phénomène d'érosion connu sous .le nom de "galling" , de sorte qu'il se produit des zones de haute pression localisées et qu'il peut s'ensuivre une rela- xation comme décrit ci-avant. En outre, ces conditions opératoires se traduisent par des difficultés au point de vue de l'établissement et du dégagement du joint et, en se cumulant, s' opposent aux efforts ultérieurs pour établir un joint capable de résister aux efforts de destruction qui se produisent au cours du fonctionnement normal.
Le but essentiel de l'invention est de permettre là réalisati on d'un joint ou raccord perfectionné du type sus- indiqué mais capable d'éviter les difficultés auxquelles il vient d'être fait allusion.
Un autre but de l'invention est de permettre la réali- sation d'un raccord du type formé d'éléments mâle et femelle filetés utilisant avec un maximum d'efficacité la matière cons-
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titutive du joint ou raccord en répartissant uniformément les efforts dans la matière qui entoure les surfaces de travail.
Un autre but encore de l'invention est de permettre- la réalisation d'un joint ou accouplement à éléments mâle et femelle possédant une tendance accrue à se resserrer en ser- vice normal, ce joint possédant des caractéristiques d'auto- centrage facilitant son établissement et son dégagement.
Un autre but encore de l'invention est de diminuer la tendance à la déchirure et à l'éclatement des surfaces appareillées du joint et à réduire ainsi au minimum le phé- nomène d'érosion du oint.
Un autre but encore de l'invention est de permettre la réalisation d'un joint ou raccord comprenant des filetages complémentaires présentant un angle de filet approximative- ment égal à 90 , ce qui donne la possibilité de déplacer les éléments depuis le rapprochement initial jusqu'à l'ajustement final sous une pression élevée et sans aucune avarie pour n'importe laquelle des parties constitutives du joint.
Enfin un autre but encore de l'invention est de réali- ser un durcissement localisé d'au moins un des épaulements du raccord, afin de réduire au minimum le phénomène d'érosion ou d'attrition, d'assurer la répartition désirée des efforts épaulement contreépaulement dans le raccord complet et de réaliser la coopération requise avec les filets perfectionnés avec flancs inclinés à 90 dont il a été parlé, le tout de manière à constituer un joint qui obvie aux difficultés qu'on a rencontrées jusqu'à présent.
Dans le dessin schématique annexé qui facilitera la compréhension de l'invention :-
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la fig. 1 est une vue en coupe pratiquée à travers l'élé ment mâle d'un joint ou raccord conforme à l'invention.
La fig. 2 est une vue fragmentaire en coupe partielle montrant l'élément femelle c orresp ondant.
-La fig. 3 est une vue en élévation avec coupe partielle montrant le joint ou raccord assemblé c'est-à-dire constitué par la réunion de l'élément mâle que montre la fig. 1 et de l'élément femelle que montre la fig. 2.
La fig. 4 est une vue de détail dessinée à plus grande échelle montrant le profil des filets prévus dans le joint en question.
Comme indiqué précédemment, l'invention est d'une applica- tion particulièrement heureuse pour l'établissement des joints ou racc,ords intéressant les organes de forage des puits d'ex- traction c'est-à-dire dans les cas où il est difficile d'éta- blir sur le chantier un raccordement apte à être aisément éta- bli ou défait et capable en même temps d'utiliser la matière constitutive du joint avec le maximum d'efficacité et pendant une durée de service prolongée sans qu'il se produise de fatigue excessive ou d'avarie à la hauteur ou dans le voisinage du dernier filet engagé ou un desserrage suivi des phénomènes. connus sous le nom de branlement ou flottement (wabbling), érosion ou attrition (galling) et rupture définitive.
La présente invention est fondée en partie sur cette découverte que des caractéristiques nettement améliorées sont données aux raccords ou joints lorsque les flancs des filetages c omplé mentair es convergent à la crête selon un angle approxi- mativement égal à 90 . Ces filetages sont encore améliorés ainsi que les caractéristiques du joint grâce à un laminage ou écrouissage des pieds ou naissances des filets et aussi à une
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trempe, autrement dit à un durcissement surfacial de l'épau- lement au moins de l'organe mâle du raccordement.
Il convient de noter que, dans un joint ou raccord de ce type, la résistance totale et par conséquent l'aptitude du joint à résister avec succès à tous les efforts auxquels il est soumis pendant une longue période de service normal est fonction du maintien de la compression de l'épaulement au-dessus d'une valeur critique minimum. L'invention est matérialisée dans un raccord ou.joint dans lequel cet état de choses est conservé.
Dans la fig. 1 est représenté un organe mâle! comportant une partie colique 2 de plus faible calibre munie d'un
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6 filetage 5 . Au-dessus du filet terminal 4 se trouve une surface ou zone annulaire 5 se terminant par un épaulement 6 .
.L'organe femelle 10 , qui est représenté en fig. 2, présente une cavité 11 , pourvue de filets 12 complémentaires aux filets 3 de l'organe mâle 1 . Extérieurement ai filet 13 situé le plus près de l'embouchure se trouve une surface ou zone annulaire 14 qui, dans le joint à l'état terminé, est voisine de la surface 5. de l'organe mâle -(voir la fige 3) et dont il est parlé ci-après. L'extrémité de l'élément 10 creusé de la cavité 11 présente un épaulement 15 venant porter contre l'épaulement 6 de l'organe mâle 1 .
Si l'invention est appliquée à un équipement de forage tel que celui qui est représenté, chacun des éléments 1 et 10 présente un alésage central 16 permettant au liquide de passer par lui. Bien que l'invention soit prévue en vue de son utilisation dans des conditions particulières, il doit
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d'ailleurs être entendu qu'elle n'est pas limitée à cette' application mais qu'elle peut trouver son emploi dans toutes les circonstances où les efforts des types sus-indiqués doi vent être supportés.
Dans la fig. 3, les éléments 1 et 10 sont représentés vissés l'un dans l'autre, leurs épaulements 6 et 15 portant l'un contre l'autre. Quand le joint doit être entièrement ajusté, toute rotation relative plus accentuée est effectuée de façon qu'un effort de compression élevé soit assuré entre les épaulements. Il se produit en même temps une déformation élastique de l'élément mâle 1 et de l'élément femelle 10 dont les contours sont alors modifiés de la manière indiquée par les lignes pointillées 17 et 18 .
Cette déformation élastique est d'ailleurs représentée de façon exagérée pour mieux mettre en évidence cette particularité qui constitue un facteur important de l'invention, Cette déformation élastique permet, en effet, une rotation relative suffisante des éléments du joint pendant son établissement pour permettre la relaxation requise de ce joint tout en maintenant une application adéquate qui garantit des conditions de fonction- nement ainsi que la longévité satisfaisante.
Dans la fig. 4 est représentée à plus grande échelle un fragment des filets qui constituent une caractéristique importante de l'invention. Le corps de l'élément fileté est représenté en 20 ; son filet 21 présente des flancs fuyants 22 et 23 qui se terminent vers l'extérieur par une crête plate figurée en 24 . Les expériences qui ont conduit à l'invention ont permis de constater, en effet, qu' on obtient des résultats nettement meilleurs lorsque l'angle compris entre les flancs 22 et 23 du filet 21 a une valeur allant de 85 à 95 .
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On a constaté, en outre, qu'en laminant ou écrouissant les naissances des filets, on améliore les caractéristiques du joint ou raccord. L'effet visible de ce laminage bu de ce.t écrouissage à froid est mis en évidence par la fig. 4 dans laquelle le contour des naissances du filet tel qu'il est façonné initialement est représenté par le pointillé 25 la suite de l'écrbuissage, le contour final de la naissance du filet est représenté en 26 .
Le laminage ou l'écrouissage à froid des naissances des filets 21 surtout dans le voisinage de l'embase de l'élément mâle 1 et du fond de la cavité 11 de l'élément femelle 10 augmente la résistance mécanique de ces éléments et s'ajoute aux avantages résultant des formes complémentaires spéciales de ces éléments telles qu'elles ont été décrites ci-avant. On constate que cette opération de laminage ou d'écrouissage augmente du double environ la résistance mécanique'du joint.
Pour améliorer encore les résultats, il est désirable de supprimer le susdit phénomène d'érosion des épaulements 6 et 15 et d'assurer une répartition uniforme des efforts par contact épaulement contre épaulement en tirant ainsi parti des caractéristiques dues à la conjugaison sus-décrite.
En vue de ce résultat, l'un des épaulements ou les deux épaule- ments est durci sur sa surface, de préférence à l'aide d'une flamme, comme indiqué en 27 (Fig. 1) sur l'épaulement 6 Ceci facilite bien entendu le mouvement relatif de ces surfaces pendant l'établissement du joint tout en résistant au susdit phénomène d'érosion. La relaxation à l'intérieur du joint pendant le service est par là même insuffisante pour permettre
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un desserrage du joint au cours de son usage. En d'autres termes, toutes les parties du joint utilisent la matière avec' le maximum d'efficacité, et la compression de l'épaulèrent est maintenue au-dessus d'une valeur minimum critique représentant un certain degré de serrage,
de sorte que le desserrage et les inconvénients qui en résultent ne peuvent se produire.
Le mode d'utilisation du raccord que prévoit l'invention, ainsi que ses avantages découlent de la suite de ce texte. On supposera qu'une section de l'équipement de forage présentant l'organe mâle 1 à sa partie inférieure doit être descendue dans l'élément femelle 10 d'une section de l'équipement déjà en place dans le puits en vue d'être relié à elle. Au moment où l'élément mâle 1 pénètre dans l'embouchure de l'élément femelle 10 , il se produit entre leurs filetages un engagement mutuel tel qu'une poussée dirigée de haut en bas est supportée par les surfaces d'engagement.
La section droite relativement grande des filetages engagés leur permet de subir cette poussée sans dommage, de sorte que l'engagement de vissage s' opère dans des conditions parfaites pour l'établissement ultérieur du joint selon l'ajustement requis. En outre, lorsqu'on jonctionne ainsi deux sections de l'équipement de forage, on sait que la section supérieure oscille quand elle est suspendue dans le chevalement ou "derrick".Les filetages prévus dans l'élénent femelle et sur l'élément mâle sont, de même, étudiés de manière à empêcher le grippage sur les côtés opposés, ce qui facilite l'établissement du joint.
On fait ensuite tourner l'élément mâle 1 pour amener en prise les filetages appareillés avec un faible effort jus- qu'à ce que les épaulements 6 et Importent l'un contre l'autre.
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On applique ensuite une torsion pour réaliser un accouplement plus parfait, de sorte que les éléments 1 et 10 sont déformés élastiquement comme représenté en 17 et 18 et que, tandis que les épaulements 6 et 15 glissent l'un sur l'autre au fur et à mesure que les efforts de compression entre eux augmentent jus- qu'à l'ajustement final. On réalise ainsi un équipement unitaire' dans lequel toutes les parties de la matière sont utilisées avec le maximum d'efficacité.
Les filetages conjugués coopèrent pour assurer ces conditions bien que leurs filets ne soient pas tellement peu profonds qu'il y ait danger de dégagement par traction quand les efforts ultérieurs qui se produisent en service tendent à déformer davantage les éléments 1 et .10 , L'écrouissage à froid des naissances des filets 21 contribue à renforcer les régions où ils ont tendance à manifester une certaine faiblesse. La résistance totale s'en trouve donc accrue, ce qui est un des objectifs de l'invention.
Des expériences pratiques ont permis de vérifier que l'application de l'équipement conforme à l'invention permet de réduire les frais totaux des colliers des organes de .forage à eux seuls du tiers environ par unité linéaire de section droite du puits en cours de forage.
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