Brevet FR2383304A1 — publié le 19781006

La présente invention concerne les équipements de forage "rotary", et plus particulièrement un stabilisateur pour train de tiges de forage. Le stabilisateur de l'invention comprend un raccord spécial intercalé dans le train de tiges et un manchon stabilisateur remplaçable fretté sur le raccord. La demande de brevet des E.-U, A. nO 430 077 déposée le 2 janvier 1974 au nom d' Alfred Ostertag et Claus Marx décrit un manchon stabilisateur qui se monte sur une surface extérieure d'un train de tiges de forage, le serrage du manchon étant obtenu par un effet de frette. Dans ce système, le manchon a une surface intérieure légèrement conique qui vient s'adapter sur une surface de contact de même conicité de l'élément de tige. Pour la mise en place, le manchon dilaté par une pression hydraulique est poussé longitudinalement jusqu'à la position axiale voulue, puis la pression hydraulique est coupée pour permettre un serrage énergique du manchon sur la surface de contact de la tige. Pour enlever le manchon, il suffit d'appliquer une pression hydraulique suffisante et de le pousser axialement dans la direction opposée. Dans un forage rotary, des manchons stabilisateurs sont généralement montés en un ou plusieurs points du train de tiges et à son extrémité inférieure, juste au-dessus du trépan, Dans la demande de brevet précitée, ltembout mâle du trépan est vissé dans embout femelle-de la dernière tige Jusqu'à ce que leurs épaulements respectifs viennent en contact. Sous l'effet de la rotation du trépan, la partie inférieure de l'embout femelle subit des efforts considérables qui engendrent des déformations plastiques. Si épaisseur de métal est suffisante, ces déformations restent négligeables et ne risquent pas d'entraver le coulissement axial du manchon atabilisateur. Par contre, lorsque l'épaisseur de métal est réduite, il se produit parfois un gonflement diamétral de l'embout qui rend impossible le déboitement du manchon stabilisateur.En effet-, le manchon est soumis à des déformations élastiques et non å des déformations plastiques, de sorte que son diamètre dilaté ne permet plus de le dégager axialement lorsque l'embout femelle a gonflé. Le même problème se pose pour le remontage et la pièce doit généralement être reformée. On rencontre les mêmes problèmes dans le cas d'un manchon stabilisateur monté dans- une position intermédiaire le long du train de tiges. Ded déformations plastiques de l'extrémité du manchon ou de la tige associée sont souvent la cause de difficultés considérables lors du démontage et du remplacement du manchon. Pour résoudre ces problèmes, on a proposé raugmenter la surface de contact entre ltextrémité du manchon stabilisateur et l'élément qui est vissé dans le train de tiges sans réduire le diamètre extérieur du manchon. Pour cela, on forme un renflement interne à l'extrémité inférieure du manchon de façon à augmenter la surface de contact avec lrépaulement de l'embout mâle. Lorsque l'embout me est vissé à fond, la pression est répartie sur une plus grande surface du manchon et les contraintes réduites n'entrainent que des déformations plastiques minimes qui ne gênent pas le déboitement du manchon. De plus, la partie renflée intérieurement du manchon peut être légèrement évidée pour laisser un certain Jeu à l'extrémité adjacente de la tige, de façon à éviter une déformation excessive. Lorsque le manchon stabilisateur est monté au-dessus du trépan, llépaulement de ce dernier porte sur la surface de contact du manchon qui transmet la totalité des efforts de compression axiaux à l'épaulement du raccord spécial. L'embout femelle du raccord ne travaille donc quten tension et ne risque pas de subir de gonflement diamétral, même s'il est relativement mince. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit et des dessins sur lesquels: la figure l est une vue en élévation latérale de la partie inférieure dlun train de tiges de forage rotary muni de stabilisateurs; les figures 2a et 2b sont des coupes longitudinales partielles dans le plan 2-2 de la figure I montrant les détails des deux types de stabilisateurs. La figure 1 montre la partie inférieure 10 d'un train de tiges 11 en train de forer un sondage 12. Un trépan classique 14 est monté à l'extrémité inférieure du train de tiges 11. Le trépan 14 est vissé dans l'embout femelle de la première tige 16 et prend appui sur un manchon stabilisateur 18 par un épaulement radial lia. Le poids du train de tiges 11 fournit la majeure partie de la charge verticale contrôlée qui s'exerce sur le trépan. Le train de tiges sert 6gaiement à transmettre le couple de rotation du trépan et à injecter d la boue de forage dans le fond du puits 12 pour lubrifier le trépan et remonter les sédiments de forage dans l'espace annulaire qui entoure le train de tiges. Pour maintenir le train de tiges il centré dans le puits 12, on monte de loin en loin des stabilisateurs 18 qui prennent appui sur les parois du trou. On comprend que le stabilisateur le plus important est. celui qui surmonte directement le trépan car une usure même minime peut entraîner une déviation du forage. La figure 2a représente le montage de l'un des stabilisateurs intermédiaires du train de tiges. Ce stabilisateur comprend un manchon 20 monté sur un raccord spécial 22 qui est intercalé dans le train de tiges 11. Le manchon 20 porte extérieurement des ensembles de saillies 24 qui définissent une enveloppe cylindrique d'un diamètre correspondant à celui du trou pour assurer un centrage correct du train de tiges. Les ensembles obliques de saillies 24 sont écartés pour ménager des passages libres 26 par lesquels peut remonter la boue entrainant les débris de forage. Les saillies 24 doivent avoir des surfaces de contact capables de résister à l'abrasion sans présenter d'arêtes vives qui auraient tendance à élargir le diamètre du trou.En pratique, les extrémités des saillies 24 sont munies de pastilles rapportées 24a de carbure de tungstène. L'extrémité supérieure du raccord spécial 22 forme un embout femelle (non représenté) dans lequel se vissel'embout mâle de la tige précédente 16. L'extrémite inférieure du raccord spécial 22 forme un embout mâle 30 à filetage conique standard qui se visse dans l'embout femelle 31 de la tige suivante. Entre son embout mâle 30 et une collerette cylindrique 38, le raccord spécial 22 comporte une partie 40 dont la surface est légèrement conique pour recevoir la surface conique intérieure 42 du manchon stabilisateur 20. Le plus grand diamètre de la partie 40 est plus petit que celui de la collerette cylindrique 38 qui forme donc un épaulement 44 destiné à limiter l'engagement du manchon stabilisateur 20. Des gorges annulaires sont formées en haut et en bas de la surface intérieure 42 du manchon 20 pour recevoir des joints dtétanchéité 46 et 48 entre lesquels est appliquée la pression hydraulique nécessaire à l'opération d'as. semblage du stabilisateur décrite ci-aprEs ta surface extérieure de la partie 40, sur laquelle est fretté le manchon 20, peut avoir un conicité vers le bas de 1/4 ge degré A L, degrés, 1/2 degrO constituant un bon compromis sur le plan de la rétention du manchon et de la facilité de montage et de démontage. Lorsque le stabilisateur 18 est convenablement position- né sur le raccord spécial 22, l'extrémité supérieure 50 du manchon20 est en contact direct avec l'épaulement 44. De même, l'épaulement supérieur 52 de l'embout femelle 31 de la tige 16 est en contact direct avec l'extrémité inférieure 54 du manchon 20 lorsque le raccord spécial 22 est vissé à fond dans la tige. Ces joints métal sur métal sont étanches à la boue de forage et protègent les surfaces de contact coniques du manchon 20 et de la partie 40. La figure 2b illustre le montage du stabilisateur 18 qui surmonte le trépan 14. Un raccord spécial 56 est vissé à extrémité inférieure de la dernière tige 16 du train de forage. L'-extrémité inférieure du raccord 56 forme un embout femelle standard 62 dans lequel se visse l'embout malte 64 du trépan 14. Dans l'exemple illustré, on voit que la partie inférieure 66 du raccord est dtun diamètre réduit et présente une surface extérieure conique 68. Un manchon stabilisateur 20 identique à celui de la figure 2a est fretté sur la surface conique 66 du-raccord 56, son extrémité supérieure 50 étant en contact avec l'épaulement 44 du raccord et l'épaulement 14a du trépan étant en contact avec l'extrémité inférieure 54 du manchon 20. La demande de brevet précitée nO 430 077 décrit en détail le procédé et l'équipement de montage des manchons stabilisateurs sur leurs raccords spéciaux. Ce montage est le même dans le cas des structures des figures 2a et 2b, On commence par nettoyer soigneusement la surface conique 40 ou 66, puis on applique éventuellement une composition abrasive destinée à améliorer l'adhérence du manchon stabilisateur. On peut utiliser une suspension de poudre de carbure de tungstène nO 200 dans une huile légère. Le manchon stabilisateur 20 est ensuite engagé sur la partie conique 40 ou 66 jusqutà ce que ses joints 46 et 48 soient en contact avec la surface. A ce moment, l'extrémité supérieure 50 du manchon est à une certaine distance de I'épaulement 44 du raccord.Le manchon 20 est ensuite dilaté hydrauliquement par un fluide à haute pression injecté par un passage radial 20b, puis il est poussé axialement jusqu'au contact de l'épaulement 44. On supprime alors la pression hydraulique et la contraction du manchon se traduit par un effet de frettage énergique sur la partie conique 40 ou 66. On a pu déterminer que la tension périphérique obtenue dans le manchon 20 était de l'ordre de 500 bars ou plus, ce qui assure un coincement très énergique des deux éléments. Lorsque le stabilisateur 18 est usé, il suffit d'appliquer à nouveau la pression hydraulique au passage 20b pour dilater le manchon 20 de façon à pouvoir le dégager axialement. En pratique, du fait de la conicité de la surface 42, la pression hydraulique a une résultante axiale qui tend à chasser le manchon vers le bas, ce qui facilite son dégagement. En ce qui concerne le stabilisateur 18 associé au trépan 14, on a constaté que les efforts de compression exercés par l'épaulement 14a du trepan sur la fièvre relativement mince de l'em- bout femelle 62 avaient tendance à.provoquer un gonflement diamétral, comme décrit dans la demande de brevet précitée nO 430 077. il est évident que ce gonflement permanent risque d'empecher le déboîtement longitudinal du manchon 20 qui est en outre souvent endommagé, de même que l'embout femelle 62. Ces déformations mécaniques sont gênantes aussi bien au démontage qu'au remontage d'un nouveau manchon stabilisateur. La configuration de la figure 2b permet de résoudre ce problème grâce à la présence d'un renflement interne 70 de la partie inférieure du manchon 20 qui assure la protection de la lèvre de l'embout femelle 62. La partie renflée 70 comporte un dégagement 71 qui ménage un léger jeu par rapport à l'embout femelle 62 quand le manchon 20 est en contact avec l'épaulement 44. Lorsque le trépan 14 est fixé dans l'embout femelle 62, son épaulement 14a vient prendre appui sur la partie renflée 70 du manchon. La compression longitudinale créée par le serrage du trépan est ainsi transmise par le manchon 20 à l'épaulement 44 et l'embout femelle 62 ne travaille qu'à la tension.Le rôle du renflement interne 70 est d'élargir la surface de contact du manchon 20 avec l'épaulement 14a du trépan pour assurer la transmission des efforts longitudinaux à l'épaulement 44 sans risque de déformation de l'extrémité 54 du manchon. S'il se produit quand même une déformation, la partie renflée 70 vient s'appuyer sur le bas de embout femelle 62 en supprimant l'intervalle libre 71. De toute manière, la déformation plastique de l'embout femelle 62 est négligeable,même pour une épaisseur radiale réduite. il n'gaza donc pas de risque de coincement du manchon 20 dont le démontage et le remplacement ne présentent aucune difficulté. La même explication est applicable au manchon de la figu- re 2a qui fait partie d'un stabilisateur intermédiaire. Le renflement interne de la partie inférieure 54 du manchon assure que la pression de l'extrémité adjacente 52 de la tige suivante est répartie sur une grande surface. Cette configuration réduit les déformations éventuelles du manchon stabilisateur sous l'effet des efforts de compression produits par le serrage de la tige suivante. Même en cas de déformation plastique du manchon 20, la partie renflée 70 vient simplement prendre -appui sur la surface adjacente de la partie 40 du raccord spécial. Cette déformation est limitée à la valeur du jeu 71 et ne peut en aucune manière entraver le démontage ultérieur du stabilisateur et son remplacement. il va de soi que la description précédente n'est nullement limitative et qu'on pourra y apporter diverses modifications ou variantes entrant dans le cadre et dans l'esprit de l'invention. E VEND CAT iON S 1. . Stabilisateur de train de tiges dans un forage rotary, caractérisé en ce qu'il comprend un raccord spécial ayant un premier moyen de liaison avec l'élément précédent du train de tiges, ledit raccord comportant une partie à surface extérieure conique et un trou axial par lequel s'écoule la boue de forage, un manchon stabilisateur à surface intérieure conique complémentaire de celle du raccord étant engagé et immobilisé sur ladite partie conique, des joints annulaires espacés assurant l'étanchéi- té entre les deux surfaces coniques, des moyens d'injection de fluide hydraulique entre les deux surfaces dans la zone délimitée par les joints pour dilater radialement le manchon de manière à pouvoir le faire coulisser axialement le long de la surface conique du raccord jusqu'à une position définie dans laquelle la pression hydraulique est supprimée pour laisser le manchon fretté autour de ladite partie conique, le manchon dépassant du raccord à l'extrémité de petit diamètre de sa partie conique et comportant un renflement intérieur en direction de l'axe du raccord qui possède un second moyen de liaison avec l'élément suivant du train de tiges,-ledlt élément portant sur la partie saillante du manchon qui transmet integralement les efforts de compression résultants vers l'extrémité de grand diamètre de la partie conique du raccord. 2. Stabilisateur selon la revendication 1., caractérisé en ce que le raccord spécial comporte un épaulement adjacent à l'extrémité de grand diamètre de sa partie conique, l'une des extrémités du manchon stabilisateur étant en contact avec ledit épaulement et l'élément adjacent du train de tiges poussant le manchon en direction de l'épaulement. 3. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en cl qui la partie du manchon qui est renflée vers l'intérieur pr6- sente un diamètre plus petit que le petit diamètre de la partie conique du raccord, 4. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie du manchon qui est renflée intérieurement se prolonge en direction de l'axe devant l'extrémité de petit diamètre de la partie conique du raccord JusqulA un diamètre inférieur à celui de l'extrémité de petit diamètre. 5. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie renflée intérieurement du manchon s'étend vers l'axe Jusqu'à un diamètre inférieur à celui de l'extrémité de petit diamètre de la partie conique du raccords ladite partie renflée étant séparée de l'extrémité adjacente du raccord par un petit intervalle. 6. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie du manchon qui est renflée intérieurement stétend vers l'axe devant l'extrémité de petit diamètre de la partie cdni- que du-raccord jusqu'à un diamètre inférieur inférieur à celui de l'extrémité de petit diamètre de la partie conique du raccord, ladite partie renflée étant séparée de l'extrémité adjacente du raccord par un petit intervalle libre. 7. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raccord spécial comporte un épaulement adjacent à ltex- trémité de grand diamètre de sa partie conique, l'une des extrémités du manchon stabilisateur étant en contact avec ledit épaulement et l'élément adjacent du train de tiges poussant le manchon en direction de l'épaulement, la partie du manchon qui est renflée intérieurement présentant un diamètre inférieur à celui de la partie de potit diamètre du raccord. 8. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raccord spécial comporte un épaulement adjacent à l'extrémité de grand diamètre de sa partie conique, l'une des extrémités du manchon stabilisateur étant en contact avec ledit épaulement et l'élément adjacent du train de tiges poussant le manchon en direction de l'épaulement, la partie du manchon qui est renflée intérieurement se prolongeant en direction de l'axe devant 11 extrémité de petit diametre-de la partie conique du raccord jusqu'à un diamètre inférieur à celui de l'extrémité de petit diamètre. 9. Stabilisateur selon la revendication t, caractérisé en ce que le raccord spécial comporte un épaulement adjacent à l'extrémité de grand diamètre de -sa partie conique, l'une des extrémités du manchon stabilisateur étant en contact avec ledit épaulement et l'élément adjacent du train de tiges poussant le manchon en direction de l'épaulement, la partie du manchon qui est renflée intérieurement s'étendant vers l'axe jusqu'à un diamètre inférieur à celui de l'extrémité de petit diamètre de la partie conique du raccord, ladite partie renflée étant séparée de ltextré- mité adjacente du raccord par un petit intervalle libre. 10. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raccord spécial comporte un épaulement adjacent à l'extrémité de grand diamètre de sa partie conique, l'une des extrémités du manchon stabilisateur étant en contact avec ledit épaulement et l'élément adjacent du train de tiges poussant le manchon en direction de l'épaulement, la partie du manchon qui est renflée intérieurement s'étendant vers l'axe devant l'extrémité de petit diamètre de la partie conique du raccord, ladite partie renflée étant séparée de l'extrémité adjacente du raccord par un petit intervalle libre. il Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second moyen de liaison comprend un filetage coopérant avec un filetage correspondant formé à l'extrémité adjacente de l'élément suivant du train de tiges. 12. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second moyen de liaison comprend un filetage femelle coopérant avec un filetage mâle correspondant formé à ltextrémité adjacente de l'élément suivant du train de tiges. 13. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second moyen de liaison comprend un filetage femelle coopérant avec un filetage mâle correspondant formé en haut d'un trépan de forage qui possède un épaulement concentrique prenant appui sur la partie saillante du manchon. 14. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raccord spécial comporte un épaulement adjacent à l'ex- trémité de grand diamètre de sa partie conique, l'une des extrémités du manchon stabilisateur étant en contact avec ledit épaulement et l'élément adjacent du train de tiges poussant le manchon en direction de l'épaulement, le second moyen de liaison comprenant un filetage femelle qui coopère avec un filetage mâle formé à l'extrémité adjacente de l'élement suivant du train de tiges. 15. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raccord spécial comporte un épaulement adjacent à l'extrémité de grand diamètre de sa partie conique, l'une des extrémités du manchon stabilisateur étant en contact avec ledit épaulement et l'élément adjacent du train de tiges poussant le manchon en direction de l!épauement, le second moyen de liaison comprenant un filetage qui coopère avec un filetage mâle formé en haut d'un trépan de forage dont un épaulement concentrique par rapport audit filetage mâle prend appui sur la partie saillante du manchon. 16. Stabilisateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le raccord spécial comporte un épaulement adjacent à l'extrémité de grand diamètre de sa partie conique, l'une des extrémités du manchon stabilisateur étant en contact avec ledit épaulement l'élément adjacent du train de tiges étant un trépan de forage qui comporte un filetage mâle entouré d'un épaulement concentrique, le filetage mâle coopérant avec un filetage femelle du raccord et l'épaulement prenant appui sur la partie saillante du manchon pour le pousser vers ltépaulement du raccord, la partie du manchon qui est renflée intérieurement s'étendant vers l'axe devant l'extrémité de petit diamètre de la partie conique du raccord, ladite partie renflée étant séparée de l'extrémité adjacente du raccord par un petit intervalle libre.