Brevet FR2173831A1 — publié le 19731012

Le fonctionnement approprié du train de tiges de forage ou de pompage, dans le tubage d'un puits, soulève depuis longtemps de nombreuses difficultés au cours du forage ou du pompage d'un puits de pétrole. Certaines de ces difficultés sont décrites dans les demandes de brevet des Etats-Unis d'Améri- que NO 701.641 du 30 Janvier 1968 et N0 810 136 du 25 Mars 1969, déposées toutes les deux par le demandeur. Ces difficultés sont provoquées, en général, par les températures, les pressions extremement élevées, les charges très fortes et les efforts intenses produits qu'entraîne le travail à grandie profondeur. Dans le cas des tiges de pompage, on a imaginé des guides de types divers destinés à permettre aux tiges de fonctionner d'une manière appropriée dans le tubage. Ils facilitent les mouvements de montée et de descente des tiges dans le tubage, ils empochent leur coincement ou leur blocage et ils évitent les frottements exagérés, l'usure et les ruptures, en particulier dans les puits extrêmement déviés qui se rencontrent fréquemment. les difficultés semblables sont soulevées par les tiges de forage. Des manchons de protection, de types divers, ont été imaginés afin de faciliter le mouvement de rotation du train de tiges et son mouvement de descente dans le puits. En général, ces manchons sont des douilles qui peuvent occuper des positions fixes sur le train de tiges et qui peuvent tourner avec ce dernier ou bien qui peuvent être disposées librement sur les tiges et peuvent exécuter un mouvement axial limité ou flotter sans tourner avec les tiges pendant que celles-ci tournent et descendent dans le puits. le premier type de manchon de protection est décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N 3 019 063 et NO x 094 360. te deuxième type de manchon de protection est décrit dans les brevets des Etats Unis d'Amérique NO 3 397 017 et dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 810 136 précitée. D'autres problèmes ont été posés par la mise en oeuvre de matières différente pour les manchons de protection et pour les guides, telles que des matières élastomères spéciales et diverses matières plastiques combinées ou non avec des éléments métalliques de formes diverses. Dans tous les cas, que le manchon de protection ou le guide soit fixe, qu'il soit mobile ou flottant, il est difficile de le maintenir à une position fixe ou de lui permettre de se déplacer entre des limites fixes et prédéterminées. Cet inconvénient est très important, car le manchon de guidage et de protection ne doit pas se déplacer le long du train de tiges ou du tubage jusqusà des endroits où il n'est pas nécessaire et en particulier jusqu'aux parties agrandies des tiges où il peut se dilater et provoquer un blocage. Divers types de collets de butée ont été mis en oeuvre pour éviter de tels incidents. Ces dispositifs ont été essentiellement des collets de butée semblables à ceux qui sont montés sur les arbres rotatifs des machines. Ils sont montés rigidement sur la tige par des vis de calage ou des colliers et ils sont disposés aux emplacements voulus. De tels dispositifs sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique NO 3 094 360 et NO 3 397 017. Pendant de nombreuses années les difficultés soulevées par le maintien de ces collets de butée aux emplaeements prédéterminés ont été considérables du fait des conditions extrêmement difficiles des opérations effectuées dans les puits de pétrole. La charge qui s'exerce sur une tige de forage peut stélever à 40 tonnes ou plus. tes efforts de traction qui s'exercent sur la paroi de la tige provoquent, bien entendu, son allongement et en conséWuence une diminution ou un rétrécissement de sa circonférence extérieure. Ces deux effets se combinent pour desserrer les collets de butée sur les tiges et pour les déplacer, de sorte qu'ils perdent leur efficacité et, en fait, qu'ils augmentent les risques d'incident dans le puits. Un autre problème sérieux est posé aux spécialistes de la technique des opérations effectuées dans les champs de pétrole, par le fait que tout dispositif de cette catégorie, en particulier les manchons de protection et les collets de butée des tiges, doivent pouvoir être réalisés de façon à etre montés rapidement et économiquement sur les tiges et en être démontés facilement sur le terrain, en un minimum de temps et avec un minimum de main d'oeuvre. Les problèmes indiqués ci-dessus peuvent être résolus par un collet de butée nouveau en matière élastomère ou analogue, combiné avec un élément métallique, comportant plusieurs caractéristiques nouvelles qui lui sont propres. De plus, le collet peut être réalisé de façon à être monté facilement et rapidement sur une tige de forage ou de pompage ou sur tout autre élément d'un puits de pétrole et de manière à pouvoir en être démonté rapidement. La présente invention conduit à des résultats inattendus et inhabituels en ce qui concerne l'adhérence du collet sur une tige de forage ou tout autre élément d'un puits, ainsi qu'en ce qui concerne sa résistance à tout mouvement indésirable qui n'entraîne aucun risque d'avarie pour le puits. Plus particulièrement, le collet de butée selon l1inven- tion est en une matière élastomère ou analogue. Un élément métallique rapporté, en acier à ressort ou en une matière semblable, est noyé dans sa base. t1 élément rapporté est réalisé spécialement de manière à produire une liaison ferme et nette avec la matière de base du collet et à permettre en meme temps un contact ferme avec la tige de forage. La forme spéciale de la surface interne du collet selon l'invention accroit l'efficacité de la liaison entre le dispositif et la tige ou tout autre élément du puits et, en même temps, elle permet une circulation appropriée de la boue de forage ou du pétrole. En réalité, cette dernière caractéristique a été envisagée la première en vue d'une circulation suffisante des fluides, mais on s'est rendu compte qu'elle a des résultats inhabituels et innattendus, car elle permet un contact résistant entre-le collet et la tige, comme on le verra plus bas. Le collet de l'invention se monte rapidement et économiquement à l'aide d'outils relativement simples sur un élément d'un puits de pétrole et s'en démonte aussi simplement. Ce résultat est dû, en partie, à la grande simplicité du collet de l'invention, en comparaison des dispositifs antérieurs. Finalement, le montage d'une bague de serrage amovible et concentrique sur la surface interne du collet, en contact avec la tige, augmente l'adhérence tout en permettant un démontage rapide et simple du collet et-de la tige ainsi que le remplacement de la bague de serrage amovible. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale d'un exemple de puits et représente une tige de forage, un manchon de protection et des collets de butée selon l'invention la figure 2 est une élévation partielle de l'extrémité supérieure d'un joint d'une tige de forage et montre les emplacements des manchons protecteurs et des collets de butée mis en place. la figure 3 est une vue en perspective du collet de butée selon l'invention, en position de déverrouillage la figure 4 est une vue en perspective d'un élément rapporté métallique ou ressort du collet de butée selon l'inven vtion et représente les ouvertures, les taquets de liaison ainsi que la fente et la languette de verrouillage la figure 5 est une coupe dsune tige de forage, représentant le mode de montage du collet la figure 6 est une vue en perspective éclatée d'une variante de la présente invention comportant une bague de serrage amovible rapportée la figure 7 est une vue en perspective du collet et montre les dispositifs de mise en oeuvre de la bague de serrage la figure 8 est une vue d'extrémité de la bague de serrage amovible la figure 9 est une vue d'extrémité d'un ressort de souti-en ondulé qui peut remplacer la bague de serrage amovible et la figure 10 est une coupe du collet et représente les positions relatives du collet et de la bague de serrage. La figure 1 représente un train 1 de tiges de forage ou de pompage. En réalité, la figure 1 représente une tige de forage mais il sera évident pour les spécialistes que la prés-en- te description peut ssappliqer facilement à une tige de pompage, sous réserve de certaines modifications évidentes. Dans le cas d'une tige de forage, un canal central 2, concentrique par rapport à la périphérie extérieure de la tige, constitue un conduit qui permet la circulation de la boue de forage. Afin de faciliter la jonction entre des tronçons successifs de tiges de forage, celles-ci comprennent des éléments coniques 35 de diamètre agrandi, qui permettent la réalisation à chaque extrémité d'un élément de jonction fileté ou taraudé 4, dont l'un est mâle et l'autre femelle. te tubage 5 du puits est un élément métallique approprié, bien connu des spécialistes. Un manchon de protection 6 est disposé de manière à se déplacer sur la périphérie extérieure de la tige de forage 1 et il porte contre la périphérie interne du tubage 5. Le manchon protecteur peut être réalisé de n'importe quelle manière particulière connue, telle que celle qui est décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 810 136, précitée.Le manchon peut être en matière plastique, ou élastomère ou même en métal et il comporte une broche de verrouillage 7 ainsi que des gorges 9 destinées à la circulation d'un liquide, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1. le collet de butée 11, selon l'invention, comprend des ouvertures de verrouillage 12 disposées sur la tige de forage 1, à des positions relatives espacées prédéterminées par rapport au manchon de protection, de la manière décrite plus complètement ci-après. Les positions relatives réelles du manchon de protection et des collets de butée sur la tige de forage, varient suivant l'état du puits. Par exemple, le premier collet de butée ou collet de butée supérieur peut être disposé approximativement à 0,90 mètre d'une extrémité de l'élément de tige de forage et un espacement d'environ 5 cm peut 8tre prévu entre les collets de butée et le manchon de protection, afin de permettre à ce dernier une course de montée ou de descente de longueur correspondante. La longueur globale réelle des tiges de forage peut être de 9 mètres ou plus. Dans le cas de puits particulièrement difficiles ou déviés, on peut prévoir deux manchons protecteurs qui peuvent être espacés d'environ 7,5 cm entre les collets de butée d'un jeu. Ce mode de réalisation est représenté sur la figure 2. Dans ce cas, les deux manchons protecteurs 6 comportent des broches de verrouillage 7 et un joint d'enclenchement 8 facilitant la fermeture brusque du manchon protecteur, qui d'habitude est en une matière élastomère ou plastique, autour de la surface extérieure de la tige de forage 1. Dans ce mode de réalisation on voit en 10 des gorges internes de circulation. Les autres éléments de l'invention sont décrits pour le mode de réalisation de la figure 1. La figure 3 représente un collet de butée 11 et ses ouvertures de verrouillage 12. Le corps du collet comprend principalement une matière élastomère dans laquelle sont ménagées des gorges axiales 14 qui remplissent une fonction combinée de circulation d'un liquide et de formation de tampons de contact sur la surface interne du collet 15. Les tampons de contact sont disposés de manière à porter contre la surface extérieure de la tige de forage. Un élément métallique rapporté 16, noyé concentriquement dans la matière élastomère 13, peut être en acier à ressort ou en une matière semblable. Une fente 17 disposée près dune première extrémité du collet ouvert 11 est alignée sur une languette 18 de son extrémité opposée.Des pattes ou taquets de liaison poinçonnés, 20, sont disposés sur l'élément métallique rapporté et font saillie sur la surface interne de la matière élastomère 13. Ces pattes ou taquets sont particulièrement visibles sur la figure 4 à laquelle on pourra se reporter. L'élément métallique rapporté 16, qui peut être en n'importe quelle matière élastique mais de préférence en acier à ressort de bonne qualité, comprend au moins deux rangées d'ouvertures de liaison 19 espacées d'une façon appropriée autour de sa circonférence. Elles sont destinées à renforcer la liaison physique entre l'élément 16 et la matière élastomère 13 qui peut être produite par n'importe quel procédé approprié connu. De préférence, les pattes ou taquets de liaison 20 sont poinçonnés sur le corps de l'élément métallique rapporté 16, en forme de lèvres en saillie, grossièrement semi-circulaires et elles sont orientées alternativement vers les extrémités opposées de l'élément 16. Elles sont disposées, de même, de fa çon à faire saillie au-delà de la surface interne de la matière élastomère 13, comme indiqué plus haut, et de manière à mordre dans la tige de forage de la façon décrite. ci-après. Ces pattes ou taquets ont pour fonction supplémentaire de renforcer la liaison entre l'élément métallique rapporté 16 et la matière élastomère 13. On voit, également sur la figure 4, la fente 17 et la languette 18 qui font partie intégrante de ltélément 16 et qui se combinent pour constituer un mécanisme de verrouillage du collet. La figure 5 permet de comprendre le fonctionnement de tous ces éléments ainsi que leurs- positions relatives. En plus du fait quelle représente le mode de montage du collet de butée sur une tige de forage, la figure 5 repré sente également les divers éléments de l'invention qui ont été décrits plus haut. Pour monter le collet selon l'invention on l'ouvre à la main sur une distance suffisante pour lui permettre de passer sur la circonférence externe d'une tige de forage, 1, dans une direction radiale, en un point quelconque proche de son emplacement final voulu sur la tige et par rapport à celle-ci, de la façon décrite plus haut. Puis on peut le faire glisser axialement à la main jusqu'à sa position finale sur la tige. On utilise ensuite l'outil spécial 21. Cet outil comprend essentiellement des pinces très démultipliées ou comportant un grand rapport des bras de levier, qui sont équipées de broches de verrouillage 22.L'outil de verrouillage 21 est suffisamment ouvert pour que les broches 22 puissent être alignées sur les ouvertures de verrouillage extérieures 12. Les broches 22 sont introduites alors dans les ouvertures 12 correspondantes et les poignées de l'outil 21 sont rapprochées afin de comprimer la totalité du collet 11. Le mouvement de compression se poursuit åusquà ce que la languette 18 soit disposée en face de la fente 17 dans laquelle elle pénètre alors brusquement, du fait de l'élasticité propre du collet. A ce moment, la broche de verrouillage 22 la plus rapprochée de la languette 18 est disposée en face de lSouverture de verrouillage centrale 12 du collet, de manière à ménager un jeu suffisant pour l'élément de la broche de verrouillage 22 qui fait saillie à l'intérieur de l'élément métallique rapporté 12 et de façon à faciliter l'achèvement de la jonction du collet autour de la tige. De tels modes de réalisation et de montage donnent des effets combinés dont le résultat est une liaison exceptionnellement résistante ou adhérente entre le collet et la tige de forage. En plus de l'effet de maintien des taquets 20, on produit ainsi une liaison exceptionnelle extrêmement efficace entre la surface interne du collet et la surface externe de la tige0 Cette liaison résistante est due aux tampons 15 qui sont formés par les gorges de circulation 14, de la façon décrite plus haut. La tension élastique de l'élément métallique rapporté 16 fait agir individuellement ces tampons du fait de la nature élastique de leur matière. En conséquence, toute irrégularité, déformation, introduction ou présence d'une matière étrangère entre la tige et la surface interne du eollet est automatiquement compensée, alors qu'un tel défaut ne pas l'âtre si cette surface interne était continue. On obtient ainsi un accroissement exceptionnel et inattendu de liaison entre le collet et la tige. Pour permettre un contact encore plus ferme entre le collet et la tige rotative on peut monter le collet sur la tige de manière que le sens de rotation de cette dernière ait tendance à augmenter la force de blocage entre la fente 17 et la languette 18. Comme on le1voit sur la figure 3, la tige de forage tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, en l'observant du sommet de la figure. Dans ce but, le sens de rotation peut être marqué à un emplacement approprié sur le collet et un repère "HAU1" peut être tracé sur son bord supérieur, afin que le mode de montage du collet sur la tige permette de tirer le plus grand profit de sa disposition. Bien entendu, le diamètre intérieur du collet et-le diamètre extérieur de la tige de forage sont proportionnés suivant des relations prédéterminées qui dépendent de la nature de la matière de la couverture élastomère et de l'élasticité connue du collet. Ces caractéristiques varient suivant les matières particulières mises en oeuvre mais n'ont pas d'influence sur la nature essentielle de la liaison résultante due à la réalisation du collet et à son mode de montage. I1 doit être évident, pour les spécialistes, qu'en plus de la liaison extrêmement résistante qui peut être produite, le collet selon l'invention peut être monté très facilement et rapidement sur le terrain et qu'il peut être démonté très ai sément. En fait, son démontage peut s'effectuer par la simple mise en place d'un tournevis entre les parties en recouvrement du collet, en un point proche de la fente 17 et de la languette 18, et par une légère torsion qui provoque l'ouverture brusque du collet. I1 est évident que les modes de réalisation et de montage de la présente invention suppriment la nécessité de vis de calage, de goupilles ou d'autres éléments supplémentaires, pour produire le résultat voulu. Comme indiqué plus haut, on a décrit une installation concernant particulièrement une tige de forage. I1 est évident que le collet selon l'invention peut être monté, d'une manière analogue, sur une tige de pompage. Lorsque le collet est monté sur une tige de pompage, à proximité de sa partie refoulée ou à proximité du raccord, il peut constituer, par luimême, un manchon de protection. Cette disposition est particu- lièrement avantageuse pour la protection du tubage du puits lorsque la tige se déplace ou se soulève en fonctionnement, en particulier dans un puits dévié.La présente invention permet également la mise en position d'un centreur sur une colonne de tubage d'un puits comme manchon de protection, lui-m8me, ou comme stabilisateur secondaire, par exemple sur une tige carrée d'entraînement. Dans toutes ces applications, le collet selon l'invention et son mode de montage sont essentiellement semblables à ceux décrits plus haut pour une tige de forage. Les figures 6 à 10 représentent une variante perfection- née par rappqrt au mode de réalisation décrit cidessus. Le corps du collet 13 de cette variante comporte une gorge circulaire concentrique 21. Une bague rapportée 22 qu'on voit en particulier sur la figure 8 est disposée de manière à s'ajuster à l'intérieur de la gorge 21 et elle comporte des gorges verticales de circulation 23 qui sont disposées de façon à coSncider avec les gorges 14 anciennes du collet de base. La bague rapportée 22 peut être remplacée par un ressort ou un élément ondulé 25, qu'on voit en particulier sur la figure 9 et qui est introduit dans la gorge 21. Cette bague, comme la bague 22 est disposée de manière à porter contre la surface extérieure de la tige de forage afin d'exercer une pression contre elle. La bague 22 peut comporter des bords chanfreinés 26 qui permettent la réalisation d'un dispositif en queue d'aronde entre la bague de base 13 et l'élément rapporté 22, comme oqpeut le voir en particulier sur la figure 10. La matière de l'élément rapporté amovible 22 peut âtre n'importe quelle matière élastomère ou plastique appropriée qui dépend de son application spéciale particulière. L'élé- ment ondulé 25 peut être en un métal quelconque ou en une autre matière élastique I1 peut être revêtu d'une matière plastique ou élastomère. Des matières différentes-ont des puissances de serrage différentes à la différence de matières moulées, d'une façon générale, dont les caractéristiques d'usure sont bonnes. La bague de serrage selon l'invention offre une résis tance considérablement accrûe au mouvement du collet dans le sens axial et elle augrnente considérablement son serrage. Elle est facilement amovible et elle peut être remplacée par des bagues d'un diamètre intérieur plus petit qui permettent une compensation de l'usure de la tige. Les gorges axiales 23 conservent, bien entendu, les caractéristiques des gorges de circulation et des tampons de contact du mode de réalisation de base décrit plus haut. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux dispositifs décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICÂTIONS 1.- Collet fendu, de forme générale cylindrique, destiné à un équipement de forage de puits de pétrole et comportant un corps en matière élastomère, caractérisé en ce qu'un élément élastique, de forme générale cylindrique, est noyé concentriquement dans ledit corps, une partie dudit corps située à l'extérieur de l'élément élastique se terminant en un point proche d'une fente réalisée sur le corps et sur l'élément élastique, près de la première extrémité du collet, de façon qutune surface extérieure à découvert de l'élément élastique soit disposée entre ladite fente et la première extrémité du collet, une languette disposée å la seconde extrémité de 1'd ment élastique , dans l'alignement de ladite fente, faisant un angle aigu avec la tangente audit élément élastique et étant en saillie vers l'intérieur du corps, la languette étant disposée de manière à porter contre ladite surface extérieure à découvert de l'élément élastique et étant déplacée par un dispositif associé à cet élément élastique et destiné à serrer le collet autour d'un arbre cylindrique, contre ladite surface extérieure à découvert, jusqu'à ce quelle pénètre brusquement dans ladite fente, afin de maintenir le collet à une position fixe dans laquelle il est serré autour et contre ledit arbre, le dispositif de serrage provoquant, de plus, l'engagement de la languette dans la fente par un mouvement circulaire de cette languette dans un seul plan. 2.- Collet fendu de forme générale cylindrique, destiné à un équipement de forage de puits de pétrole et comportant un élément élastique noyé dans un corps de matière élastomère, caractérisé en ce qu'il comprend des dispositifs destinés à le serrer autour dtun arbre cylindrique, un ensemble à languette et fente permettant au collet d'âtre appliqué et serré autour et contre l'arbre, des éléments de contact disposés sur la surface interne du collet/etant placés de manière à être en contact avec l'arbre afin d'empêcheur tout déplacement axial du collet par rapport à l'arbre, l'élément élastique du collet comportant une surface située près de sa surface cylindrique extérieure, à proximité de l'ensemble à fente et languette, de sorte que l'application du collet autour de l'arbre peut être produite par un mouvement circulaire du dispositif de serrage dans un seul sens, une surface à découvert de la surface cylindrique extérieure de l'élément élastique du collet entourant ladite fente, la languette étant disposée de manière à se déplacer contre la surface à découvert jusqu'à ce que le dispositif de serrage provoque son engagement dans ladite fente et l'application du collet autour de 11 arbre par suite du mouvement circulaire seul de la languette par rapport à ladite fente. 3.- Collet fendu, de forme générale cylindrique, destiné à un équipement de forage des puits de pétrole, caractérisé en ce qu'il comprend un corps de matière élastomère auquel est associé un élément élastique, des gorges axiales de la surface interne du collet délimitant plusieurs surfaces de contact parallèles, plusieurs ouvertures de l'élément élastique étant disposées autour de sa circonférence, une fente étant placée près de la première extrémité du collet fendu, une languette étant disposée près de son extrémité opposée, dans l'alignement de ladite fente, un organe associé à l'élément élastique serrant le collet autour de l'arbre et provoquant l'introduction de la languette dans ladite fente, une bague amovible étant destinée à être introduite dans une gorge circulaire de la surface interne du collet. 4.- Collet suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la bague amovible est en matière à ressort recouverte ex térieurement par une matière élastomère. 5.- Collet suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités opposées et associées de l'élément élastique proches de ladite fente et de la languette comportent des surfaces cylindriques qui se recouvrent, les extrémités desdites surfaces étant découvertes sur leurs bords axiaux de manière que la fente et la languette puissent être dégagées facilement par 'l'introduction, dans le sens axial seulement, d'un organe de dégagement entre les surfaces cylindriques en recouvrement. 6.- Collet suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle aigu formé par la languette et l'élément élastique inscrit un arc de cercle entre cette languette et ce dit élément. 7.- Collet suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de serrage comprend deux ouvertures espacées et opposées, dont l'une est disposée à proximité de la fente et l'autre, à proximité de la languette, les bords des ouvertures étant renforcés ou armés afin d'éviter que 11 élément élastique ne se rompe lorsqu'il subit la force du dispositif de serrage.