Brevet FR2570084A1 — publié le 19860314

"Procédé de durcissement superficiel d'accouplements de tiges de forage et tiges de forage ainsi obtenues". _________________ La présente invention concerne un procédé perfectionné qui permet de durcir en surface,de façon efficace,des accouplements de tiges de forage sans apparition d'une rugosité abrasive. L'invention concerne également la tige de forage ainsi obtenue. Dans le forage des puits, il est connu d'utiliser des trépans disposés à l'extrémité inférieure d'une série de tiges de forage qui sont assemblées les unes aux autres en série, de manière à présenter une longueur donnée. Chacune desdites tiges consiste, par conséquent, en un corps cylindri- que en acier pourvu à ses extrémités respectives d'un accouplement mâle comprenant un filetage extérieur et d'un accouplement femelle comprenant un filetage intérieur correspondant. Comme les surfaces extérieures des accouplements de tiges font néces- sairement saillie du corps de tige auquel ils sont reliés par des zones coniques, ces surfaces sont les premières à venir en contact avec la surface intérieure du puits et sont soumises,de ce fait, à un frottement contre le sol ou contre le tubage si un tel tubage est présent dans le puits. Une rotation prolongée du trépan à l'intérieur du puits engendre par conséquent une usure continue des accouplements des tiges par abrasion, ceci réduisant de façon considérable la durée de vie de la tige etnui- santconsidérablement à l'aspect financier global de l'opération de forage en raison du coût élevé de cette tige. Dans l'état actuel de la technique, on remédie généralement à l'incon- vénient mentionné ci-dessus par un durcissement superficiel de l'accou- plement femelle de la tige, cet accouplement étant le plus critique en ce qui concerne la perte d'épaisseur par abrasion. Plus spécifiquement, on ne durcit qu'une bande de la face extérieure ou bande faciale dudit accouplement qui se trouve entre la zone comprenant le filetage et la zone conique et dont la largeur est d'environ 60-80 mm, car il ne faut pas toucher à la zone filetée et il faut préserver un certain degré d'aptitude à la déformation pour permettre un serrage sûr à l'aide de clés de vissage et il n'est pas nécessaire de durcir la zone conique. Le procédé de durcissement utilisé couramment consiste à appliquer par fusion un agent de durcissement, tel que du carbure de tungstène réduit en particules minuscules de forme irrégulière ou de forme sphérique, à la bande faciale en question. A cet égard, grâce à la fusion, l'excipient avec lequel le tungstène est mélangé s'amalgame avec l'acier en fusion de la surface de l'accouplement et la matière de durcissement reste ainsi incorporée dans la surface extérieure de la face de l'accouplement. Toutefois, ce procédé connu n'est pas sans présenter de sérieux incon- vénients en ce sens que même si les éléments de durcissement ont une très petite taille, la surface obtenue de cette manière est certes d'une dureté plus grande mais est également extrêmement abrasive et endommage le tubage du puits foré contre lequel elle agit. Comme,seule une partie minimale du puits foré est normalement exempte de tubage et que, de ce fait, la majeure partie du puits comporte effectivement un tel tubage et est soumise par conséquent à l'action d'endommagement de l'accouplement durci, il est évident que ce dernier inconvénient est même encore plus sérieux que celui mentionné précédemment en ce sens quelalors qu'antérieurement il se produisait une usure exagérée des tiges qui, après une très courte durée de vie, ne pouvaient plus être utilisées sans endommager le puits, les accouplements résistent maintenant de façon appropriée, ce qui procure une durée de vie utile relativement longue des tiges mais le tubage du puits se trouve endommagé de façon irréparable etcomme ce tubage est un élément permanent du puis, on ne peut pas en tolérer une rupture ou une usure quelconque. La présente invention a pour objectif de remédier aux inconvénients précités en fournissant un procédé pour un durcissement superficiel de ladite bande faciale de l'accouplement femelle des tiges de forage qui ne crée aucune rugosité abrasive et qui, par conséquent, n'entraîne pas un endommagement du tubage du puits foré. On atteint cet objectif essentiellement en utilisant une radiation cohérente émise par des générateurs à C02, radiation qui est également connue sous la dénomi- nation de faisceau laser, pour créer un flux d'énergie sur ladite bande de l'accouplement à durcir, de manière à chauffer la bande non pas jusqu'à la température de fusion mais à ne chauffer qu'une mince couche superficielle d'une épaisseur de l'ordre de 1 mm de cette bande jusqu'à une température d'austénisation. A cet égard, en raison de la quantité limitée de chaleur nécessaire à cette fin, cette chaleur est transférée par conduction jusqu'aux couches plus froides sous-jacentes si rapidement que la couche superficielle ainsi traitée de la bande passe d'une structure austénitique à une structure martensitique et devient de ce fait très dure (acier durci). Les avantages d'un tel type de durcissement apparaissent immédiatement si on considère les résultats obtenus, sa commodité de mise en oeuvre et son prix de revient. A ce sujet, on obtient une dureté exceptionnelle exactement auxpoints voulus spécifiques car le faisceau laser consiste en une radiation électromagnétique que l'on peut régler et diriger facilement selon des lois optiques. D'autre part, il n'est pas nécessaire d'utiliser des matières de durcissement coûteuses, telles que le carbure de tungstène, ni de matériel compliqué qui se révélerait nécessaire pour le broyage, la fusion et l'application desdites matirescar on effectue maintenant le traitement en effectuant un simple déplacement relatif entre l'accouplement et le faisceau focalisé, car le faisceau laser agit en l'absence de vide et n'engendre pas de produit ni de gaz de combustion comme cela a lieu lorsque l'on applique du carbure de tungstène. On s'est aperçu également que,pour que le traitement soit plus efficace, il faut que la bande faciale de l'accouplement femelle de la tige que l'on doit durcir superficiellement soit nettoyée à la brosse ou au jet de sable avant le traitement afin de faciliter l'absorption de l'énergie du faisceau laser et doit en outre être chauffée préalablement par induction pour empêcher la formation de criques, à partir desquelles peuvent se développer des fissures, dans la zone de transition qui est comprise entre la couche superficielle traitée et l'intérieur de la face d'accouplement qui a essentiel- lement une structure inchangée. Le procédé pour durcir superficiellement une bande faciale de l'accou- plement femelle de tiges de forage en acier, cette bande se trouvant entre la zone comprenant le filetage intérieur de l'accouplement et la zone conique qui relie l'accoupelement au corps cylindrique de la tige, est donc caractérisé selon la présente invention par le fait qu'il comprend les phases suivantes consistant: à nettoyer ladite bande par brossage et/ou sablage au jet,préchauffage par induction de ladite bande, et finalement élévation de la temperature d'une couche pelliculaire superficielle de ladite bande,ayant une épaisseur de l'ordre de 1 mmjusqu'à la température d'austénisation au moyen d'un flux d'énergie incident engendré par une radiation cohérente émise par un générateur laser à CO2 Finalement, comme ladite bande faciale ainsi durcie de l'accouplement o10 femelle de tige de forage etnon seulement très dure mais également très fragile pour réduire à un minimum le risque d'une formation de criques et rendre ainsi l'accouplement plus résistant aux diverses contraintes de fonctionnementet conformément à un mode de réalisation préféré de la présente invention, on ne procède pas au durcissement de ladite bande selon le procédé susvisé sur la totalité de la bande mais sur des raies alternées parallèles de manière à compenser la très faible élasticité des zones ou raies durcies à l'aide de l'élasti- -cité inchangée des raies intermédiaires non durcies. On va maintenant décrire de façon détaillée l'invention en se référant à la figure unique du dessin annexé qui en représente un mode de réa- lisation préféré à titre d'exemple purement illustratif et non limita- tif. La figure du dessin annexé représente une vue en coupe partielle d'une tige de forage réalisée selon l'invention. Sur cette vue, la référence 1 désigne le corps cylindrique en acier d'une tige de forage dont l'extrémité inférieure est reliée par la zone conique 2 à un accouplement mâle 3 pourvu d'un filetage extérieur 4, et dont l'extrémité supérieure est reliée par la zone conique 5 à un accouplement femelle 6 pourvu d'un filetage intérieur 7. La bande faciale F dudit accouplement femelle 6 qui se trouve entre la zone comprenant le filetage intérieur 7 et la zone de liaison conique 5 est durcie le long de raies parallèles alternées 8i (trois bandes 81_3 sur la figure) au moyen d'un faisceau laser qui élève la température d'une couche pelliculaire desdites raies 8i ayant une épaisseur de l'ordre de 1 mm jusqu'à la température d'austénisation. Avant l'action du laser, on nettoie lesdites raies 8i par brossage et/ou sablage au jet puis ontles soumet à-un préchauffage par induction, le traitement au laser des raies étant effectué à l'aide d'un mouvement relatif que l'on obtient entre l'accouplement et le faisceau laser à l'aide de moyens connus qui permettent de communiquer, de façon appropriée,à l'accouplement, un mouvement de rotation et un mouvement de translation le long de son axe tandis que le faisceau laser est maintenu immobile, ou bien qui maintiennetl'accouplement immobile et communiquent au faisceau laser des mouvements correspondants à l'aide de déplacements en rotation et en translation de ses surfaces réfléchissantes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le durcissement superficiel d'une bande faciale (F) de l'accouplement femelle (6) de tiges de forage en acier, ladite bande (F) se trouvant entre la zone comprenant le filetage intérieur (7) de l'accouplement et la zone conique (5) qui relie l'accouplement au corps (1) de tige cylindrique, caractérisé en ce qu'il comprend les phases consistant: à nettoyer ladite face (F) par brossage et/ou sablage au jet, à préchauffer par induction ladite bande, et finalement à porter une couche pelliculaire superficielle de ladite bande,ayant une épaisseur de l'ordre de 1 mmà la tempéra- ture d'austénisation au moyen d'un flux d'énergie incident engendré par une radiation cohérente émise à l'aide d'un générateur laser à COV 2. Tige de forage en acier comprenant un corps cylindrique (1) comportant à ses extrémités respectives un accouplement mâle (3) pourvu d'un filetage extérieur (4) et un accouplement femelle (6) pourvu d'un filetage interne correspondant (7), lesdits accouplements étant reliée audit corps à l'aide de zones de liaison coniques (2, 5), caractérisée en ce que la bande faciale (F) dudit accouplement femelle (6)setrouvant entre la zone comprenant ledit filetage intérieur (7) de l'accouplement femelle et ladite zone de liaison conique (5) comprend des raies parallèles alternées (8 3) durcies à l'aide du 1-3 procédé selon la revendication 1.