Brevet FR2457142A1 — publié le 19801219

La présente invention a trait à des tampons d'usure préformés pour stabilisateurs de foret. Des stabilisateurs de colonne de forage sont couramment utilises sur les tubes d'acier qui portent un trépan pour forer dans des roches ou dans le sol ou analogues. Les stabilisateurs sont essentiellement des élargissements qui constituent une surface limitée radialement à ltextérieur du tube supportant le trépan afîn de centrer la colonne de forage et le trépan à l'intérieur du trou. A titre d'exemple, des trépans pour forer à travers la roche sont fréquemment conçus pour tourner autour de leurs propres axes de sorte qu'un centrage des forets à l'intérieur du trou est nécessaire afin d'assurer des vitesses de pénétra- tion spécifiées ainsi que pour réduire un émoussage ou une usure excessive des trépans. Afin de maintenir la eoncentricité, le foret est centré au moyen d'élargissements réalisés sur les tubes qui supportent le trépan. Les élargissements doivent être réalisés radialement avec précision en dimension et de préférence maintenus au même rayon que ne ltest le foret lui-même afin de guider ce dernier le long du centre du trou.Sans stabilisation, les tubes de forage peuvent s'excentrer ou brouter ou cogner le long des parois du trou, augmentant ainsi l'usure du foret et en réduisant son rendement de fonctionnement. Par suite, des stabilisateurs sont fréquemment utilisés pour forer des trous profonds, tels que pour des puits de pétrole,des puits de gas, ainsi que pour des ouvertures de travail aux explosifs et analogues. Bien que différents types de stabilisateurs soient utilisés, une forme couramment utilisée comporte des nervures surélevées soudées le long des trongons de tige de forage, ces nervures étant soit rectilignes et alignées sur l'axe longitudinal du tube de forage ou, en variante, en hélice autour de la surface du tube. Ces stabilisateurs du type à nervure sont initialement réalisés pour épouser le rayon du foret et leurs surfaces extérieures frottent contre ou viennent différemment au contact des parois du trou pour maintenir la concentricité du train de tubes qui supportent le trépan.De tels stabilisa teurs peuvent être réalises en différents endroits espacés les uns des autres le long du train de tube de forage à partir d'un trépan lui-m 9me vers le haut en direction de la surface extérieure du trou. Bu fait que les surfaces découvertes des stabilisateurs du type à nervure frottent et grattent contre la paroi du trou qui peut constituer soit la couche de roche, soit en varian tendes tubes de gainage de puits, il se produit une abrasion considérable qui use rapidement les stabilisateurs et ainsi, en un temps relativement court, anéantit la précision des dimensions radiales des surfaces du stabilisateur. Un certain nombre de techniques ont été mises au point afin de réduire le degré d'usure ou au moins de la réaliser pour une utilisation prolongée de la colonne de forage avant remplacement des stabilisateurs. Un procédé, en vue d'accroître la résistance à l'usure du stabilisateur, a été de revêtir les surfaces exposées, de particules de carbure de tungstène brasées sur celles-ci de façon à résister à l'abrasion de la paroi du trou, Ainsi, l'in- vention décrite dans le présent mémoire a trait à certains perfectionnements apportés à ce type de revêtement résistant à l'usure. Le présent procédé de réalisation d'un revêtement résistant à l'usure de type carbure sur des stabilisateurs de type nervure est une opération relativement coûteuse et prenant du temps. La présente opération implique la préparation de la surface exposée ou extérieure des stabilisateurs qui sont réalisés sur un court tronçon de tube, pour recevoir le carbure. C'est-à-dire que les surfaces du stabilisateur doivent être correctement nettoyées, etc., et ensuite des particules de carbure dans des tubes d'acier ou de métal de brasure sont soudées au chalumeau ou à l'arc sur la surface d'un stabilisateur. Peu à peu, le long de chaque surface de stabilisateur, du carbure est déposé grâce à ce processus de soudage ou de brasage et la couche est amenée à l'épaisseur voulue. Après que chacun des stabilisateurs ait été revêtu de façon appropriée avec des couches d'épaisseur contenable, le tube peut être meulé à la main à la dimension souhaitée, ou peut être placé dans une rectifieuse od il tourne contre une meule pour obtenir une surface périphérique de rayon voulu. Ceci représente une procédure lente, exigeant au moins plusieurs heures de brasure manuelle, plus le meulage et le nettoyage et analogue, qui est relativement coûteuse. La procédure doit ordinairement être effectuée dans une usine appropriée possédant l'équipement nécessaire et l'atmosphère sous laquelle la brasure peut être réalisée. Ainsi, lorsque la surface du stabilisateur à face dure en carbure est usée et n'est plus dimensionnellement acceptable, le trongon de tube de stabilisateur est normalement retiré de la colonne de forage et le tron on est expédié à une usine pour retraitement, ctest-à-dire nettoyage et resurfaage et traitement thermique en vue d'un rel che- ment des contraintes, etc.Ceci n'est pas le type de procédure qui peut être effectué ordinairement sur le chantier. Lorsqu'elle est effectuée sur le chantier, la précision dépend de lthabileté du mécaninien si bien que les résultats sont aléatoires. Un problème particulier posé par ce procédé de surfa Fagne dur, qui, par moments a été mis en oeuvre en essayant de fondre et de fixer sur la surface un mélange de liant ou de matériau de brasage et de carbure délivré sous forme de barreau, est le fait que la surface terminée est très rugueuse et que des dimensions précises ne peuvent pas être obtenues sans l'opération finale de rectification. Même la rectification ne procure pas toujours une surface lisse satisfaisante et de plus, le fait que le meulage est effectué sur le carbure dur se traduit par une usure rapide des meules coûteuses. Par suite, la présente invention concerne le surfa age dur de surfaces de stabilisateurs de façon rapide, peu coûteuse, avee un équipement minimal et d'une manière telle que le travail puisse être effectué sur le chantier où se trouvent les puits de pétrole ou la où d'autres types d'opérations de forage sont accomplies. La présente invention prévoit le préformage d'un tampon d'usure en vue d'un soudage sur la surface exposée d'un stabilisateur de sorte que le tampon puisse être appliqué sur le chantier et lorsqu'il est usé, puisse être retiré sur place et remplacé. L'invention prévoit la réalisation du tampon à partir d'un tube d'acier à paroi mince, de forme sensiblement reetangu- laire en coupe, aplati, qui constitue une gaine remplie d'une ma triez d'un mélange de particules de carbure et d'un liant, tel qu'un alliage de cuivre ou analogue. Le tampon est préformé sous la forme d'une bande rectiligne, étroite, mince qui peut être soudée le long de ses côtés étroits aux bords de la nervure du stabilisateur. Puisque des nervures de stabilisateur sont fréquemment enroulées en hélice et que les dimensions de lthélice ou l'angularité de celle-ci varient selon différents types d'équipement de forage, les tampons peuvent être appliqués en les chauffant avec un chalumeau et ensuite en les martelant sur le stabilisateur auquel ils doivent être fixés, comme si le stabilisateur était une enclume, pour ainsi incurver le tampon et l'ame- ner en contact précis avec la surface du stabilisateur à laquelle il est ensuite soudé au moyen d'un bourrelet marginal le long du côté. La présente invention prévoit qu'une fois que le tampon est fixé au stabilisateur, en supposant que le tampon soit réalisé avec une épaisseur précise prédéterminée, le rayon correct ou spécifié du stabilisateur sera obtenu. Cependant, afin de découvrir la surface de carbure résistant à l'usure, la paroi découverte du tampon est retirée, tel que par meulage ou par taillage ou analogue.En variante, elle peut autre enlevée, lorsqu'il existe un intervalle suffisant dans le trou foré, simplement en l'abrasant durant le fonetionnement. C'està-dire que l'utilisation du stabilisateur avee sa paroi découverte en place se traduira par l'abrasion de la paroi découverte sous L'action abrasive de la roche et analogue dans le trou si bien que la surface résistant à l'usure en carbure sera bientôt mise à nu. Ainsi qu'on peut le voir, du fait que ie tampon peut être simplement appliqué sans traiter préalablement la surface du stabilisateur et peut être retiré simplement en fracturant la soudure avec un ciseau à froid ou analogue, l'application et le retrait de ces tampons peuvent être accomplis relativement simplement sur le chantier, même dans des régions froides telles que dans les parties septentrionales du globe où le forage de puits se fait couramment. C'est-à-dire que la surface dure usée d'un stabilisateur, lorsqu'elle est sous la forme de tampons selon l'invention, peut être retirée et remplacée en quelques minutes par un mécanicien pouvant effectuer une soudure. Différents autres buts et avantages de la présente invention ressortiront de la lecture de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés. La Fig. 1 est une vue en élévation d'un tronçon de tube de stabilisateur. La Fig. 2 est une coupe, à grande échelle, dans le sens des flèches 2-2 de la Fig. 1. La Fig. 3 est une coupe partielle à grande échelle selon le sens des flèches 3-3 de la Fig. 1. La Fig. 4 est une vue en perspective à grande échelle d'une seule nervure de stabilisateur avec un tampon d'usure en position pour une fixation à eelle-ci. La Fig. 5 est une coupe en perspective représentant un tampon d'usure complet soudé sur la nervure du stabilisateur. La Fig. 6 est une vue similaire à la Fig. 5, mais représentant la paroi découverte du tampon retirée. La Fig. 7 est une coupe partielle représentant le retrait de la paroi de tampon découverte du tampon monté sur un stabilisateur. La Fig. 8 est une perspective en coupe d'un fragment d'une variante qui utilise deux tampons d'usure plus étroits, avec un espace pour la soudure entre les tampons. La Fig. 9 est une autre variante représentant le tampon d'usure des Figs. 1 à 7, mais avec des ouvertures centrales pour effectuer des points de soudure supplémentaires. La Fig. 1 représente un tronon 10 de tube de forage typique, constitué d'une tuyauterie d'acier et ayant une douille interne filetée supérieure 11 et un prolongement taraudé inférieur 1Z pour une liaison avee des prolongements et des douilles correspondantes pour former une colonne de forage. Un trépan est fixé à une extrémité de la colonne et ltextrémité opposée est entraînée pour faire tourner la chaîne et le trépan. Le tronon 10 comprend des stabilisateurs 14 du type à nervure qui sont réalisés en hélice sur la surface extérieure du tube pour stabiliser le tube relativement concentriquement à l'axe du trou et du trépan. Les stabilisateurs du type à nervure sont réalisés soit en forme d'hélice, soit parfois sous la forme de nervures rectilignes qui sont parallèles à l'axe du tube. Le stabilisateur est constitué tout d'abord par une nervure permanente 15 qui soit fait corps avec, soit est soudée sur la surface extérieure du tube 10. La nervure présente une surface découverte 16 qui est longue, étroite et est soit rectiligne, soit en hélice, selon le type de stabilisateur utilisé, Le surfaçage dur doit être appliqué sur la surface découverte 16 de la nervure. Le tampon d'usure 20 est constitué d'une enveloppe ou gaine 21 qui est tubulaire, aplatie et approximativement rectangulaire en coupe pour constituer un tronçon de paroi inférieure 22, un tronçon de paroi opposé ou découvert 23 et des parois latérales étroites de liaison 24. La gaine peut être constituée d'un tube à paroi mince, tel qu'en acier d'environ 0,8 à 1,6 mm d'épaisseur de paroi. L'épaisseur de paroi peut varier considérablement selon les exigences de réalisation. La gaine ou enveloppe est remplie d'un mélange solidifié de particules de carbure li-ées entre elles, les intervalles étant remplis d'un liant. Par exemple, les particules de carbure peuvent être constituées de particules de carbure de tungstène fritté d'une dimension de particules telle que 10/20 ou 20/30 ou 8/10 ou analogue, particules qui sont tassées de façon serrée dans la gaine. Des particules soit anguleuses, soit grossièrement sphériques peuvent être utilisées selon l'ap- plication particulière. Les particules sont liées entre elles et à la gaine en versant dans la gaine remplie de particules un alliage liant approprié, tel qu'un alliage liant à base de eui- vre commercialement disponible, utilisé pour solidariser ou braser des particules de carbure. A titre d'exemple de dimension, la gaine remplie terminée qui constitue le tampon d'usure peut avoir de l'ordre de 300 mm de long, 9,5 mm d'épaisseur et environ 25 mm de large. Afin de fixer le tampon d'usure sur sa nervure res pectine, il est placé en contact surface contre surface sur la nervure. Si la nervure est neuve et rectiligne, le tampon sta- daptera normalement en contact face cantre face contre la surface découverte 16 de la nervure. Par ailleurs, si la nervure est en hélice ou un peu rugueuse, le tampon ne s'adaptera pas normalement contre elle.Dans ce cars, le mécanicien peut chauffer le tampon avec un chalumeau jusqu'à ce qu'il se ramollisse légè- rement, et ensuite positionner le tampon sur la nervure et le marteler en contact face contre face avec la nervure pour ainsi courber le tampon autant que nécessaire pour réaliser l'ajusta- ge étroit face contre face. Bien entendu, le tampon peut être préformé en une forme incurvée ou en spirale à l'usine où il est fabriqué et ensuite peut être finalement ajusté en contact étroit avec la nervure sur le chantier. Après la pose du tampon sur la surface découverte de la nervure, il y est soudé, comme par exemple au moyen de soudures latérales 27 reliant les parois latérales étroites 24 du tampon aux côtés de la nervure. Ensuite, la paroi extérieure ou découverte 23 doit être enlevée, tel que par exemple selon la droite x-x (voir Fig. 7) afin de découvrir la surface d'usure de la matrice de carbure -liant. Ceci peut être fait par taillage, ou plus facilement en utilisant une meule, telle qu'une meule portative, puisque la paroi d'acier mince peut être facilement meulée. Si la paroi est meulée avec soin,la matrice découverte présentera une surface précise et lisse qui doit correspondre au rayon extérieur précis spécifié pour le stabilisateur.Le canal ou bae formé par les parois latérales étroites 24 et la base 22 de la gaine agissent pour maintenir assemblée la matrice pour L'empêcher de se déplacer ou de se rompre ou d'être délogée en utilisation. Les bords libres des parois latérales 24 seront meulées en utilisation pour adapter l'usure de la surface 25 de la matrice. Lorsque la surface du tampon d'usure devient excessivement usée, le tampon d'usure-peut être retiré simplement en rompant les soudures 27 avec un ciseau à froid ou une meule ou une électrode de coupe à l'arc ou autre outil approprié, et ensuite en soulevant le tampon et le remplaçant par un nouveau qui, à son tour, est soudé en position selon la procédure décrite ci-dessus. Ainsi, un remplacement d'un tampon d'usure peut être effectué en treks peu de temps et peut être accompli même dans des conditions difficiles sur le chantier sans diffi exultés. Bien que le meulage ou l'enlèvement de la paroi découverte 23 de la gaine soit nécessaire, dans de nombreux cas, ltenlèvement peut être effectué en laissant la paroi délimitant le trou de forage jouer le rôle de meule pour retirer la paroi 23. C'est-à-dire que le tronçon de stabilisateur peut être mis en place dans le trou de puits foré et durant la période initiale de rotation, l'abrasion entre la couche de roche délimitant le trou de forage et la paroi de métal en feuille mince 23 usera le métal en feuille rapidement et ainsi mettra à nu la motrice de carbure. Ceci supprime le besoin d'un meulage soigné ou d'un enlèvement différent de la paroi 23. La Fig. 8 représente une variante qui utilise deux tampons d'usure étroits 30 qui sont appliqués de la manière décrite ci-dessus,côte à côte, mais avec un léger espace entre eux. A l'intérieur de cet espace, un troisième bourrelet de soudure 31 est appliqué de sorte que chacune des bandes ou tampons est fixée en position par les bourrelets de soudure latéraux 27 ainsi que par le bourrelet de soudure central 31. Pour certains types d'utilisationsde stabilisateur, il est avantageux d'utiliser une paire plus étroite de tampons d'usure plutôt qu'un seul, large. La Fig. 9 représente une seconde variante qui a trait à la prévision de points de soudure supplémentaires pour fixer le tampon d'usure en position. Ici, le tampon d'usure 20a est muni d'un certain nombre de trous qui peuvent être dou- blés d'acier, traversants, trous 33 qui sont remplis de matériau de soudure tandis que le tampon est appliqué à la nervure du stabilisateur. Par suite, le matériau supplémentaire se trouvant dans les trous fixe Le tampon le long de son centre ainsi que le long de ses bords. REVENDICATI0NS 1) Procédé de surfagage dur de stabilisateurs de colonne de forage, du type à nervure, caractérisé par les opérations de : réalisation d'un tampon d'usure préformé par fa wconnage d'une gaine en acier, tubulaire, à paroi mince, de longueur et de largeur couvrant la surface dtusure découve te d'une nervure de stabilisateur, et ensuite remplissage de la gaine d'une matrice solidifiée constituée de particules de carbure dur liées entre elles par un liant tendre; soudage du tampon sur ladite surface d'usure découverte du stabilisateur; enlèvem-ent de la partie de paroi découverte de la gaine pour ainsi mettre à nu une surface dure de liant et de carbure, dimensionnée avec précision, lisse;; au cours duquel un revêtement superficiel résistant à l'usure, dur, précis, c'est-à-dire mesuré radialement, est réalisé sur lesdits stabilisateurs, et en ce que lesdits tampons peuvent être retirés, lorsqu'ils sont usés, par rupture des soudures, et remplacés par des tampons neufs. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce outil comprend le chauffage et la flexion au degré voulu dudit tampon d'usure préformé pour l'ajuster avec précision contre et sur ladite surface d'usure du stabilisateur, immédiatement avant soudage de chaque tampon sur sa surface de stabilisateur respectif. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gaine est de forme sensiblement rectangulaire en coupe, avec un long côté formant une base pour un contact face contre face avec la surface du stabilisateur, le long côté opposé constituant la paroi à enlever, et les deux parois latérales étroites coopérant avec ladite base pour former un canal étroit en vue de confiner le contenu de la matrice durant l'utilisation des stabilisateurs. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la nervure de stabilisateur de colonne de forage possède une surface allongée, étroite, plane, qui est surélevée radialement vers ltextérieur par rapport à la circonférence du tronçon de tube de chaîne d'allongement de forage sur lequel la nervure du stabilisateur est réalisée; et comportant le positionnement du tampon d'usure préformé sur la surface du stabilisateur, ledit tampon d'usure étant constitué d'un tube aplati grossièrement rectangulaire en coupe, avec une de ses parois plus larges placées en contact face contre face de la surface du stabilisateur et la paroi large opposée découverte; et en ce que les parois plus étroites opposées de la gaine et la paroi plus large restante constituent un canal rigide allongé pour maintenir et confiner la matrice contre un détachement ou un délogement durant l'utilisation de la colonne de forage stabilisée. 5) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits stabilisateurs sont chacun enroulés en spirale autour de la surface périphérique de son tronçon de tube respectif, lesdits tampons étant réalisés initialement rectilignes et comprenant l'opération de chauffage et de flexion du tampon pour l'adapter avec précision au contour de la surface de son stabilisateur respectif. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enlèvement de ladite paroi large découverte est effectué par le meulage abrasif de celle-ci contre la surface de paroi interne du trou foré durant la période initiale d'utilisation du stabilisateur à l'intérieur d'un trou foré. 7) Procédé selon la revendication 1, caractéris-é en ce que ladite paroi large découverte est enlevée par meulage après que le tampon ait été soudé en position, mais avant utilisation du stabilisateur à l'intérieur d'un trou. 8) Tampon d'usure préformé pour surfagage dur d'un stabilisateur, du type à nervure, de colonne de forage, carac tersé en ce qu'il comporte : une gaine à paroi mince, tubulaire, approximativement rectangulaire en coupe, ayant un de ses côtés larges constituant une base de longueur et de largeur recouvrant sensiblement, en contact face contre face, la surface découverte dudit stabilisateur, et avec ses parois latérales étroites coopérant avec ladite base pour constituer un canal rigide; ladite gaine étant remplie d'un mélange solide de particules de carbure dur tassées, liées entre elles, et avec les intervalles remplis d'un liant en métal relativement tendre;; ledit tampon allongé, ctest-à-dire la gaine remplie, pouvant être courbée, par chauffage suffisant, en contact face contre face étroit avec une surface du stabilisateur sur laquelle le tampon doit être fixé;; et ledit tampon pouvant être soudé le long de ses parois latérales étroites, par soudage classique, à un stabilisateur, et la paroi large découverte de la gaine opposée à sa base pouvant être enlevée après que le tampon ait été soudé à un stabilisateur, tel que par meulage soit avant que le stabilisateur soit utilisé à l'intérieur d'un trou, soit par l'action abrasive de la paroi du trou contre la paroi découverte à enlever, de sorte que la forme de canal rigide en résultant confine le contenu solide en une forme superficielle dure dimensionnée radialement avec précision, et de sorte que le tampon après usure puisse être retiré et remplacé par rupture de ses soudures. 9) Tampon-d'usure préformé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits tampons sont réalisés rectilignes, en ce que lesdits tampons sont agencés pour être chauffés et courbés physiquement selon la forme d'un stabilisa- teur sur lequel ils doivent être montés au moment de ce montage.