Brevet FR2594500A1 — publié le 19870821

La présente invention concerne un perfectionnement apporté aux tubes, tels que ceux utilisés dans le forage et la production de puits de pétrole et de.gaz, par la fabri- cation et l'utilisation de matériaux composites pour la formation des tubes. Des -éléments tubulaires, tels que des tiges creuses qui sont reliées les unes aux autres, bout à bout, en cons- tituant des trains de tiges, formés en un matériau autre qu'un métal, sont bien connus ainsi qu'il est décrit par exemple dans le brevet US-3 768 842. Dans ce brevet on uti- lise de la fibre de verre avec des pièces d'extrémité mé- talliques pour raccorder un élément tubulaire à un autre afin de constituer le train de tiges creuses. L'utilisation des fibres de verre dans d'autres éléments tubulaires, avec des connecteurs d'extrémité mé- talliques, est également décrite dans le brevet US-3 352 557. On fera plus particulièrement attention à la figure 1 de la présente demande qui est une reproduction de la figure 2 de ce brevet US, y compris les références numé- riques utilisées, et on peut voir que des tubes lla,13a, en matériau à base de fibres de verre, sont évasés en a,17a, au moyen d'anneaux 35,37 enfoncés dans les extrémi- tés des tubes et fixés h ceux-ci. Ensuite des colliers ex- ternes métalliques 43,45 sont appliqués sur les extrémités évasées et fixés à celles-ci et un collier coulissant tarau- dé 49 est vissé sur les colliers précédents afin de former un joint du type union. Pour former un tel joint du type union il est clair que les colliers de raccord externes pour chaque extrémité du tube en fibres de verre et le collier coulissant taraudé doivent être insérés sur le tube en fibres de verre avant que les extrémités de ce tube en fibres de verre ne soient évasées. Par ailleurs ce qui est également caractéristique d'un tel joint du type union, le diamètre externe du joint est nettement supérieur au diamè- tre du tube en fibres de verre. Les autres figures de ce brevet représentent diffé- rents moyens de liaison des extrémités les unes avec les autres, pour constituer le joint du type union, et on peut se reporter a ce brevet si davantage de détails apparais- sent nécessaires. La figure 2 de ce brevet a été choisie uniquement parce qu'elle est particulièrement représentative de l'enseignement du brevet et parce qu'elle montre le col- lier taraudé 49. La présente invention concerne un élément tubulaire d'un tube composite dans lequel un tube en matériau compo- site est formé sur un mandrin avec des extrémités évasées (refoulées) qui sont formées en même qu'a lieu la formation du tube. On peut utiliser h cet effet le procédé continu habituel de fabrication des tubes en matériau composite. Ensuite en utilisant une bague de blocage fendue en combi- naison avec les extrémités évasées, on peut utiliser des pièces d'extrémités de tubes standard telles que les douil- les et broches de joint métalliques standard du type utilisé dans l'industrie du pétrole et du gaz, en tant qu'organes d'accouplement afin de former l'ensemble de tube composite. Les pièces d'extrémité peuvent être collées au tube en matériau composite au moyen d'un adhésif approprié si on le désire. Ce collage contribue h l'étanchéité des tubes en matériau composite dans la zone de leurs pièces d'extrémité et à la répartition de la charge, si cette dernière est critique. En outre, avec de telles douilles et broches de Joint standard une seule couche d'épaisseur de métal existe, dans le sens radial, à l'extérieur de la surface externe du tube en matériau composite, h la différence du joint du type union suivant la technique antérieure. On peut également utiliser, si on le désire, un revêtement interne approprié en élastomère ou en une matiè- re thermoplastique, afin d'empêcher la fuite de gaz et de fluides à travers le tube en matériau composite. En utilisant le principe de la présente invention on peut fabriquer des ensembles de tube en matériau composite ayant une épaisseur de paroi allant de 12,7mm à 25,4mm et même plus épais, et une longueur allant de 6, 1m à 30,5m. En utilisant également le principe de l'invention on peut for- mer le tube en matériau composite, avec ses extrémités évasées, en lui donnant toute longueur appropriée et on peut le stocker en vue d'un raccordement ultérieur à des pièces d'extrémité standard d'un type quelconque sélectionné. La raison de cela est que les pièces d'extrémité ne doivent pas être nécessairement présentes sur le tube en matériau com- posite au moment de sa fabrication, comme cela est le cas suivant la technique antérieure. De même les pièces d'extré- mité peuvent être réutilisées sur d'autres tubes en maté- riau composite, si ces derniers présentent un défaut de fonctionnement pour une raison quelconque. Le fait que-les pièces d'extrémité sont ou non collées aux tubes en maté- riau composite, lorsqu'une réutilisation possible est envi- sagée, est uniquement une question de choix. Un ensemble de tube en matériau composite suivant l'invention comprend un tube allongé en matériau composite- dont les extrémités sont évasées ou refoulées vers l'exté- rieur par des anneaux de compression logés à chaque extré- mité du tube en matériau composite ou au voisinage de cette extrémité, et des pièces d'extrémité, telles qu'une douille de joint et une broche de joint, sont positionnées sur les extrémités évasées et bloquées en place par des écrous fendus, de manière à presser les extrémités évasées contre les anneaux de compression dans les pièces d'extrémi- té. Cette disposition permet au tube en matériau composite d'être formé et aux pièces d'extrémité d'être accouplées à celui-ci à une date ultérieure, si on le désire. Le collage des pièces d'extrémité sur les extrémités du tube est optionnel. On peut prévoir éventuellement un revêtement ther- moplastique à l'intérieur du tube en matériau composite, ce revêtement s'étendant sur toute la longueur du tube en matériau composite. On décrira ci-après,à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en coupe axiale de l'élément tubulaire suivant la technique antérieure accouplé avec un autre élément ainsi qu'il est décrit dans le brevet US-3 352 557. La figure 2 est une vue en élévation, partielle- ment en coupe axiale, d'un ensemble d'un tube en matériau composite fabriqué suivant l'invention. La figure 3 est une vue en perspective de l'écrou fendu assurant le verrouillage des pièces d'extrémité sur le tube en matériau composite. Si on se réfbre à la figure 2, puisque la figure 1 a déjà été décrite, on voit que cette figure représente un ensemble de tube en matériau composite 10 comprenant un revêtement interne long 12, un tube en matériau composite long 14 pourvu d'extrémités évasées ou refoulées 16 formées sur des anneaux de compression 20 logés à chaque extrémité du tube en matériau composite 14 ou au voisinage de cette extrémité, une broche de joint 22 à une extrémité du tube en matériau composite et une douille de joint 24 à l'autre extrémité du tube en matériau composite, et une paire d'écrous de blocage fendus 26 qui assurent le blocage des extrémités du tube en matériau composite 14 respectivement dans la broche de joint 22 et la douille de joint 24. Le revêtement 12 s'étend sur toute la longueur du tube en matériau composite 14 et il est lui-même évasé en afin de s'adapter à l'intérieur de la broche de joint 22 et de la douille de joint 24. Ce revêtement 12 peut être réalisé en n'importe quelle matière thermoplastique ou élas- tomère approprié, de préférence en une matière à faible perméabilité comparée à celle du matériau composite, telle que le chlorure de polyvinyle ou le fluorure de polyvinyly- dène, suivant l'utilisation finale de l'ensemble 10 du tube en matériau composite. De la manière habituelle un adhésif approprié est utilisé pour coller le revêtement 12 à la paroi cylindrique interne du tube en matériau composite. Les anneaux de compression 20 sont formés en maté- riau composite ou en métal et, ainsi qu'il est représenté, ils sont placés sur le revêtement 12. Chacun de ces anneaux comporte une partie cylindrique rectiligne 32 et une partie effilée 34 convergeant en direction du centre du tube en matériau composite 14, lorsqu'il est positionné ainsi qu'il est représenté sur la figure 2, pour former les parties refoulées ou élargies sur le tube en matériau composite 14. Ces anneaux de compression sont également chanfreinés en 36 afin de pouvoir recevoir à cet endroit les parties évasées du revêtement. Ces anneaux de compression augmentent la raideur de cercle du tube en matériau composite afin de résister à la pression d'écrasement exercée par].es écrous de blocage fendus 26. Lors de la formation de ce tube les anneaux de compression 20 sont glissés sur le revêtement 12 avant que le matériau composite ne soit enroulé sur ce revê- tement 12 et sur un mandrin non représenté. Si le revêtement 12 n'est pas utilisé, les anneaux de compression 20 sont placés directement sur le mandrin et le matériau composite est alors formé sur le mandrin et sur les anneaux de com- pression. Les parties élargies ou refoulées 1.6 comportent, ainsi qu'il est représenté, une surface cylindrique et une surface évasée s'adaptant à la forme des anneaux de compres- sion 20. Les façons dont sont formés le matériau compo- site et le matériau lui-même, sont classiques et sont expo- sées dans un certain nombre de brevets par exemple dans les brevets US-3 156 489 et 3 002 534. Le procédé particu- lier de formation du tube en matériau composite 14 et du revêtement 12 ne fait pas partie de la présente invention et il ne sera donc pas décrit en détail sauf en ce qui concer- ne les points suivants à savoir, en premier lieu, le procédé de formation peut être un procédé continu et, en second lieu, les anneaux de compression 20 forment les parties élargies ou refoulées 16 avant l'enroulement et le durcissement et par conséquent il n'existe aucune charge résiduelle sur ces parties élargies. Après la formation du tube en matériau composite 14 à la longueur désirée, l'ensemble est complété en position- nant la broche de joint 22 et la douille de joint 24 sur les extrémités respectives du tube. La broche de joint 22 est pourvue d'un filetage externe conique 38 qui coopère avec un taraudage interne conique 40 d'une douille de joint 24 semblable à la douille de joint 24 de la figure 2. Les filetages 38 et 40 sont d'un type conventionnel qui est utilisé pour constituer des trains d'éléments tubulaires tel qu'un train de tiges de forage dans l'industrie des puits de pétrole et de gaz. Comme on peut le voir, la broche de joint 22 et la douil- le de Joint 24 sont d'un type conventionnel dans leurs parties s'étendant approximativement à partir de leurs mi- lieux vers l'avant, c'est-à-dire en direction des filetages 38 et 40 tandis que dans la direction opposée, c'est-à-dire vers le tube en matériau composite 14, la broche et la douille sont toutes les deux identiques et elles présentent chacune un chambrage 42 pourvu d'un taraudage interne 44. Dans cette forme d'exécution chaque chambrage présente éga- lement, dans son fond, un épaulement conique de protection 46 qui vient en contact avec le chanfrein 36 et qui est convergent vers le tube en matériau composite et le revê- tement si ce dernier est utilisé. Le diamètre du chambrage 42 est tel que le tube en matériau composite peut recevoir, dans la zone des parties élargies, les écrous de blocage fendus 26. De même, comme il a été mentionné précédemment, la broche et la douille peuvent être collées au tube en matériau composite en appliquant un adhésif entre le cham- brage 42 et la zone 48 des parties élargies qui est comprise entre l'écrou de blocage fendu 26 et l'extrémité de la partie élargie. Ce collage contribue à l'étanchement à l'en- contre d'une fuite au voisinage de l'extrémité du tube en matériau composite et il entraîne une répartition des char- ges imposées aux pièces d'extrémité. Si l'étanchement et l'encaissement d'une charge ne sont pas critiques, ce der- nier collage peut être omis. L'écrou de blocage fendu 26 présente un filetage externe 50 et il est inséré dans le chambrage 42. La zone cylindrique des parties élargies et celle des anneaux de compression comble le chambrage cylin- drique comme on peut le voir clairement sur la figure 2. Ainsi qu'il est représenté plus clairement sur la figure 3, l'écrou deblocage fendu 26 est réalisé en deux pièces de manière à pouvoir être placé sur le tube en maté- riau composite formé précédemment. Lorsque ces deux pièces sont appliquées l'une contre l'autre, elles sont alignées avec précision au moyen de tétons d'alignement 52, d'une manière connue. L'écrou est ensuite tourné et vissé dans la broche de joint 22 et/ou la douille de joint 24 par tout moyen approprié, par exemple au moyen d'une clef. Des trous appropriés 54 peuvent être prévus pour la venue en prise de la clef. Comme il a été mentionné précédemment, le chambrage 42 de la broche de joint 22 est identique au chambrage 42 de la douille de joint 24 et il diffère de celui de la douille de joint 24 uniquement par le fait qu'un filetage conique externe est formé sur son extrémité afin de pouvoir coopérer avec une douille de joint 24 du type représenté à l'autre extrémité du tube. De même, comme cela est réalisé couramment, une broche de joint 22 peut être placée sur chaque extrémité du tube en matériau composite ou bien, suivant une variante, une douille de joint 24 peut être placée sur.chaque extrémité du tube en matériau composite suivant les desiderata de l'utilisateur. D'après ce qui précède on peut voir que l'on réalise ainsi un ensemble de tube en matériau composite qui pré- sente les caractéristiques avantageuses suivantes il n'y a aucune charge résiduelle sur les parties extrêmes élargies; il peut être formé avec des parois plus épaisses et des diamètres de tubes plus grands; il peut utiliser n'importe quelle pièce d'extrémité d'un tube; à l'exception de chaque partie élargie il y a une seule épaisseur de paroi afin de réduire au minimum le dia- mètre du métal constituant la broche de joint et'la douille de joint, et les pièces d'extrémité sont emboîtées sur le tube en matériau composite après sa formation si bien que le tube en matériau composite peuvent être fabriqué et stocké et que les pièces d'extrémité peuvent placées sur le tube en maté- riau composite à n'importe quel moment approprié. REVENDICATIONS 1.- Ensemble de tube en matériau composite carac- térisé en ce qu'il comprend un tube allongé (14) en matériau composite, d'une longueur sélectionnée, des parties élargies (16) formées à chaque extrémité de ce tube (14), des anneaux de compression (20) logés dans les parties élargies (16), des moyens formant des pièces d'extrémité (22,24) emboîtées d'une manière télescopique sur chaque partie élargie (16) et chaque anneau de compression (20), et des moyens (26) blo- quant chaque pièce d'extrémité (22,24) sur le tube en matériau composite (14), ces moyens étant logés dans chaque pièce d'extrémité (22,24). en étant en contact avec la par- tie élargie (16) et forçant cette dernière contre l'anneau de compression (20) associé. 2.- Ensemble de tube en matériau composite suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les pièces d'ex- trémité (22,24) comportent des chambrages taraudés (42,44) et les moyens de blocage comprennent un écrou fendu (26) pouvant être placé sur le tube en matériau composite (14) et vissé dans le chambrage (42,44). 3.- Ensemble de tube en matériau composite suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une seule couche d'une pièce d'extrémité sur le tube en maté- riau composite (14) et une seule couche de la pièce d'extré- mité située h l'extérieur, dans le sens radial, du tube en matériau composite (14). 4.- Ensemble de tube en matériau composite suivant la revendication3 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un rev&tement (12) à l'intérieur du tube allongé (14). 5.- Ensemble de tube en matériau composite suivant la revendication 4 caractérisé en ce que les pièces d'ex- trémité (40,42) sont collées aux parties élargies (16). 6.- Procédé de fabrication d'un ensemble de tube en matériau composite caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à placer des anneaux de compression (20) sur un mandrin en des emplacements déterminés en fonction de la]ongeur désirée du tube en matériau composite (14), et à former un tube en matériau composite (14) sur le mandrin et les anneaux de compression (20), en formant ainsi des par- ties élargies (16) à chaque extrémité du tube en matériau composite (14). 7.- Procédé suivant la revendication 6 caractérisé en ce que des pièces d'extrémité (40,42) sont placées sur les parties élargies (16) à chaque extrémité du tube en matériau composite (14) et il comprend l'étape additionnelle consistant à bloquer ces pièces d'extrémité (40,42) sur le tube en matériau composite (14) en amenant en contact les parties élargies (16) et les pièces d'extrémité (40,42). 8.- Procédé suivant la revendication7 caractérisé en ce qu'il comporte l'étape additionnelle consistant à prévoir un revêtement (12) à l'intérieur du tube en maté- riau composite (14). 9.- Procédé suivant la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comporte l'étape additionnelle consistant à coller les pièces d'extrémité (40,42) aux parties élargies (16).