Brevet FR2098174A1 — publié le 19720310

Les profondeurs croissantes atteintes au cours d'opérationVde forage rotary et l'accroissement correspondant de l'importance et de la fréquence des efforts périodiques exercés sur les trains de tiges ont provoqué un accroissement considérable du nombre de ruptures des jonctions des masses-tiges. La rigidité des jonctions réalisées entre les masses-tiges est une première cause de ces ruptures. Il arrive souvent que les trous de sonde s'écartent de plus de 100 par rapport a la verticale, par 30 mètres de profondeur. Lorsque le train de tiges suit ces déviations, les masses-tiges supportent des charges périodiques qui varient entre des tensions et des compressions maximales. Un train de tiges comprend normalement trois ou un plus grand nombre de masses-tiges qui sont réunies les unes aux autres par une jonction vissée et du fait que de telles jonctions sont faibles en comparaison du reste de la masse-tige, la plus grande partie de la flexion se produit au joint. Lorsqu'une masse-tige se rompt par fatigue, il faut récupérer les morceaux séparés dans le trou de sonde lorsque cela est possible et, dans le cas contraire, on peut être obligé d'abandonner le sondage. La présente invention a pour but de supprimer ou, tout au moins, de diminuer la fréquence des ruptures des joints entre les massestiges. Le joint est rendu plus flexible par une modification de la surface extérieure de la masse-tige qui est à proximité du joint. La surface de la masse-tige est rendue extrêmement flexible par une gorge qui est tournée sur sa partie proche des filets de son extrémité mâle ou de son extrémité femelle, ou à proximité des deux extrémités. La profondeur et la longueur de chaque gorge annulaire sont prédéterminées, de manière que la masse-tige ait la flexibilité et la résistance voulues, mais qu'elle continue à remplir sa fonction de masse. L'invention concerne donc un dispositif destiné à améliorer les opérations de forage rotary. Il comprend une masse-tige dont une extrémité mâle est filetée et dont l'extrémité femelle est taraudée, ainsi qu'une gorge annulaire de diamètre réduit, réalisée à proximité des filets de l'une des extrémités au moins, et dont le diamètre est réduit de manière à produire une réduction du moment d'inertie comprise entre 50 et 80 %, et de préférence de 65 à 75 % du moment d'inertie de la section droite initiale de la masse-tige. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, qui donnent à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ces dessins, la figure 1 est une vue représentant deux masses-tiges reliées selon l'invention ; la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne 2-2 de la figure 1 la figure 3 représente schématiquement un appareil d'essai 9 la fatigue et montre les masses-tiges montées dans l'appareil et subissant un essai la figure 4 est une coupe longitudinale d'une partie courbe d'un trou de sonde dans lequel sont disposées les masses-tiges de l'invention, montées à l'extrémité inférieure d'un train de tiges; la figure 5 est un graphique représentant les efforts alternés de l'extrémité mâle S et de l'extrémité femelle 5b en fonction p du pourcentage de moment d'inertie, % I ; et la figure 6 est un graphique qui indique l'accroissement de durée de service de la masse-tige selon l'invention par la réduction des efforts alternés s'exerçant sur son extrémité mâle et sur son extrémité femelle. Les figures 1 et 2 représentent l'extrémité mâle 11 d'une massetige 10 vissée dans l'extrémité femelle 12 d'une autre masse-tige 13. La masse-tige 10 a été modifiée par une gorge annulaire 15 tournée à proximité de l'extrémité 16 des filets de son extrémité mâle 11 et de même la masse-tige 13 a été modifiée par une gorge annulaire 17 tournée à proximité de l'extrémité 18 des filets de son extrémité femelle 12. Des essais à la fatigue des masses-tiges ont été effectués afin de vérifier l'accroissement de la durée de service de tels éléments soumis à des charges de flexion périodiques. De tels essais ont montré une réduction des efforts périodiques produits dans le joint de deux masses-tiges, sur lesquelles des gorges évidées extérieurement avaient été tournées à proximité de ces filets. La gorge réalisée sur l'un des cotés du joint, ou sur ses deux cotés, est destinée à permettre à la masse-tige de fléchir à l'endroit des gorges qui constituent des points ou des sections d'effort moyen faible plutôt que dans les filets du joint qui subissent des efforts moyens élevés dus au serrage proprement dit de la jonction.Les essais ont été effectués sur la machine représentée sur la figure 3 qui imposait des cambrures alternées ou "pattes de chien" d'un moment de flexion constant a.u joint. La figure 3 représente des supports espacés 20 et 21 sur lesquels sont montés des paliers 22 et 23 dans lesquels sont disposées les extrémités des masses-tiges 10 et 13. Un châssis de chargement 25 disposé entre les supports 20 et 21 porte des paliers supplémentaires 26 et 27 qui supportent les masses-tiges 10 et 13 > à proximité de leur joint vissé. Un vérin ou cylindre hydraulique 28 déplace le châssis 25 vers le haut de manière à lever les paliers 26 et 27 afin d'exercer un moment de flexion sur les masses-tiges 10 et 13.Un moteur 29 entraîne un arbre 30 par une courroie 31 et imprime un mouvement de rotation aux masses-tiges 10 et 13 dans les paliers 22, 26, 27 et 23. Les lignes en pointillés représentent les positions des paliers 26 et 27 ainsi que des masses-tiges pendant leur rotation. Des extensomètres sont fixés sur les zones dangereuses indiquées, par la lettre S sur la figure 1, afin de déterminer les efforts produits dans les masses-tiges lorsqu'elles subissent la "patte de chien" simulée par la machine d'essai. Les extensomètres sont des extensomètres de précision normaux d'une résistance de 120 ohms, vendus par Micro Measurements, Inc. et qui sont collés aux masses-tiges avec un adhésif Eastman 910 suivant des techniques mises normalement en oeuvre pour les extensomètres. Les extensomètres sont contrôlés au moment du montage et à des moments divers pendant les efforts périodiques subis par les masses-tiges sur la machine d'essai. Un comptage périodique est effectué avec un capteur magnétique relié à un compteur électrique.La machine est arrêtée périoc2iquement et les indications des extensomètres sont relevées avec un indicateur numérique de déformation Bean, un commutateur et un ensemble d'équilibrage. Aucune mesure dynamique n'est effectuée. Afin de mettre en corrélation les données relevées sur divers joints essayés, on a imposé aux masses-tiges une déformation spécifique de 4,5 mm qui correspond à un angle de déviation de 100 par 30 mètres, c'est-à-dire une déviation supérieure à celle qu'une masse-tige subit normalement en pratique.La dEforma- tion spécifique a été accrue ensuite jusqu'3* 5,9 mm, c'est-à-dire une valeur qui correspond à un angle de déviation de 130 par 30 mètres, afin de produire des efforts plus élevés et de réduire, en conséquence, la durée de service du joint. Les zones dangereuses sur lesquelles ont été fixés les extensomètres sont situées à la base de l'extrémité mâle et au dernier filet en prise de l'extrémité femelle. Les concentrations d'efforts produites par les filets non en prise et par les gorges extérieures imposent des tensions dangereuses a ces zones. Les extensomètres ont été disposés à 1800 l'un de l'autre à chaque emplacement, afin de relever des indications fiables et d'assurer une protection contre une défaillance d'un extensomètre. On a calculé la moyenne arithmétique des indications des deux extensomètres afin de déterminer l'effort à un emplacement donné.On a pris la moyenne de ces valeurs et on a calculé les efforts par la formule S = È od S = effort en kg/cm2 -6 par = déformation en cm x 10 6 par cm E = module d'élasticité en kg/cm. Cette équation est valable, car seule une charge de flexion a été exercée sur les masses-tiges essayées. On a tracé sur la figure 5 l'effort périodique qui s'exerce dans l'extrémité mâle S et dans l'extrémité femelle Sb en fonc p tion du pourcentage de moment d'inertie, %I qui est défini comme I' étant I x 100 où : I est le moment d'inertie d'une masse-tige normale sans aucun évidement externe et I' le moment d'inertie d'une masse-tige modifiée comportant un évidement externe. Le moment d'inertie, 4 D4 4 I = 7 ( - Di) où Do = diamètre extérieur de la masse-tige Di = diamètre intérieur de la masse-tige. Les courbes de la figure 5 montrent que la réduction du moment d'inertie doit être comprise entre 50 et 80 % pour une réduction importante des efforts périodiques des extrémités mâle et femelle et que de préférence cette réduction doit être comprise entre 65 et 75 % pour produire une réduction optimale des efforts. Le graphique de la figure 6 représente les efforts en fonction du nombre de cycles de la durée de service et montre l'importance pratique de la réduction des efforts dans l'extrémité mâle et dans l'extrémité femelle. Les résultats d'essais qui ont permis de tracer les courbes des figures 5 et 6 montrent, par exemple, qu'un joint de massestiges A.P.I. de 10,5 cm de diamètre extérieur, sans évidement s'est rompu après avoir subi 393.000 cycles sur la machine d'essai avec une déformation de 4,5 mm tandis qu'un joint semblable, essayé dans des conditions semblables, a subi plus de 5 500 000 cycles avec des gorges évidées correspondant chacune à une réduction de diamètre de 79,4 mm sur l'extrémité mâle et l'extrémité femelle du joint des masses-tiges. Dans ces essais, et comme on le voit sur la figure 1, Lp, c'est-à-dire la distance entre l'épaulement de l'extrémité mâle et le bord de la gorge est de 2,5 cm et la distance Lb de l'extrémité du cône interne au bord de la gorge de l'élément femelle est de 2,5 cm.La longueur de chaque gorge (évidée), Lrg est de 7,5 cm. La surface en section droite de la gorge évidée ne doit pas être inférieure à la surface en section droite du dernier filet en prise de l' estrénité mâle. Toute autre réduction risque une rupture par traction ou torsion à l'endroit de la gorge. Cependant, la durée du joint aux essais de flexion est augmentée même si le diamètre de la section droite est inférieur au diamètre des derniers filets qui sont en prise. La gorge extérieure doit être aussi rapprochée que possible des filets de l'extrémité mâle ou de l'extrémité femelle. Comme on le voit sur la figure 1, la gorge 15 commence à 2,5 cm de l'épaulement de l'extrémité 16 des filets de l'extrémité mâle et la gorge 17 commence à 2,5 cm du point où le diamètre de l'extrémité femelle est le même que le diamètre interne de la masse-tige. La gorge peut commencer à une distance comprise entre 2,5 et 60 cm de ltextrémité des filets de l'extrémité male ou de l'extrémité femelle. La longueur de la gorge est choisie de manière à réduire la concentration des efforts due à la discontinuité produite par le changement de section droite de la massetige, mais en même temps l'efficacité -(c'est-à-dire son poids par rapport au poids du train de tiges) ne doit pas être réduite d'une façon appréciable.De préférence, la longueur de la gorge extérieure doit être au moins égale au diamètre extérieur de la massetige, afin de réduire les concentrations d'efforts produites par le changement de section droite, si le diamètre de la masse-tige est de 15 cm ou plus. Bien que le risque de rupture au changement de section droite augmente, la longueur de la gorge peut être inférieure au diamètre extérieur de la masse-tige ou égal & 15 cm au minimum. La gorge extérieure doit comporter un congé important comme on le voit en 35 afin de ne permettre qu'une concentration très faible d'efforts au changement de diamètre. La figure 4 représente un élément courbe d'un trou de sonde 40 dans lequel est disposé un train de tiges, 41. L'extrémité inférieure du train de tiges est constituée par des masses-tiges 10 et 13 fixées l'une à l'autre. Cette figure montre l'importance des flexibilités des masses-tiges à leur jonction qui est indiquée en 42, dans le but de diminuer ou de supprimer les efforts du joint qui sont dus à la rotation des masses-tiges et à la flexion produite par la courbure du trou de sonde. Le nombre de gorges annulaires réalisées sur chaque masse-tige peut être supérieur à 2. Le principe de la présente invention peut être appliqué à d'autres éléments semblables aux massestiges, tels que les stabilisateurs des trains de tiges. I1 va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif et quelle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Montage destiné à améliorer les opérations de forage rotary, caractérisé en ce qu'il comprend une masse-tige destinée à être montée sur un train de tiges et comportant une extrémité femelle taraudée, ainsi qu'une gorge annulaire de diamètre réduit sur sa surface extérieure à proximité des filets de l'une des extrémités au moins, la réduction de son diamètre étant telle que la réduction du moment d'inertie est comprise entre 50 à 80 % du moment d'inertie de la section droite initiale de la masse-tige. 2. Montage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur de chaque gorge est choisie de manière à limiter la concentration des efforts due à la discontinuité produite par le changement de section droite de la masse-tige, mais de manière que celle-ci continue à agir d'une façon efficace par son poids sur le train de tiges. 3. Montage suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la surface en section droite de la gorge n'est pas inférieure à la surface en section droite du dernier filet de vis en prise de ltextrémité mâle. 4. Montage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la longueur de la gorge est au moins égale au diamètre extérieur de la masse-tige. 5. Montage suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la longueur de la gorge est au moins de 15 cm. 6. Montage suivant la revendication 4, caractérisé en ce que des congés sont réalisés aux extrémités de chaque gorge afin que la concentration des efforts soit très faible au changement de diamètre. 7. Montage suivant la revendication 6, caractérisé en ce que chaque gorge est réalisée à proximité des filets de chaque extrémité de la masse-tige. 8. Montage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que chaque gorge commence à 2,5 cm environ des filets de l'extrémité mâle ou de l'extrémité femelle de la masse-tige. 9. Montage suivant la revendication 7, caractérisé en ce que chaque gorge commence à une distance de 2,5 à 60 cm environ des filets de l'extrémité mâle ou de l'extrémité femelle de la massetige. 10. Montage destiné au forage d'un trou de sonde, caractérisé en ce qu'il comprend un train de tiges à l'extrémité inférieure duquel sont montées plusieurs masses-tiges, un trépan de forage rotary étant fixé à l'extrémité inférieure de ce dernières et l'une d'elles au moins comportant une extrémité mAie filetée et une extrémité femelle taraudée, la masse-tige comportant une gorge annulaire de diamètre réduit à proximité des filets d'au moins l'une de ses extrémités et la réduction de diamètre à l'endroit de la gorge étant telle que la réduction du moment d'inertie est comprise entre 50 à 80 S par rapport au moment d'inertie de la section droite initiale de la masse-tige.