Brevet FR2635819A1 — publié le 19900302

i La présente invention est relative à un système de raccordement électriquement isolant d'éléments tubulaires mé- talliques. Le problème se pose souvent de devoir raccorder bout à bout des éléments tubulaires métalliques, pouvant notamment servir de structure d'antenne située à grande profondeur. Pour ce faire, on utilise habituellement des raccords vissés à pas rapide, ce qui ne permet pas généralement d'obte- nir une liaison mécanique satisfaisante aux différents efforts de traction, de torsion, de flexion et/ou de flambage auxquels peuvent être soumis de tels éléments tubulaires, le joint vissé constituant un point faible de la ligne. L'invention a pour objet un système de liaison bout à bout par collage d'éléments tubulaires métalliques, qui permet d'obtenir un joint possédant une résistance globale satisfai- sante aux efforts de traction, de compression, de flexion et de torsion souvent importants que doit subir une tubulure de grande longueur. Dans une forme de réalisation particulièrement appli- cable à la liaison sans manchon de masses-tiges (drill-collars) utilisées dans le domaine du forage, par exemple dans l'indus- trie pétrolière, dans l'industrie du gaz naturel et dans l'in- dustrie géothermale, l'invention permet de respecter les encom- brements diamétraux, aussi bien intérieurs qu'extérieurs, qu'impliquent simultanément la pénétration dans le sol des drill-collars et l'implantation dans leur cavité interne d'un volume maximal de dispositifs divers tels que capteurs de para- mitres, dispositifs de mise en mémoire et de transmission, soit en temps réel, soit à intervalles déterminés, des paramètres mesurés et/ou enregistrés par lesdits dispositifs. L'invention permet également de ne pas diminuer les caractéristiques fonctionnelles habituelles d'une ligne classi- que, à savoir: - résistance a la traction et à la compression; résistance à la fatigue en flexion rotative; - résistance à la torsion. De plus lorsque de tels paramètres doivent être transmis en surface par un système d'émission électromagné- tique à antenne située à grande profondeur, l'invention permet l'isolation électrique parfaite des éléments tubulaires situés de part et d'autre du joint réalisé conformément à l'invention. La conception du joint, notamment du joint isolant conforme à l'invention, est telle que sa résistance globale aux contraintes mécaniques soit supérieure au point le plus faible existant par ailleurs sur une ligne de masse-tige, c'est-i-dire la connexion vissée entre chaque masse-tige. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la liaison entre deux éléments tubulaires métalliques à raccor- der bout à bout se fait en donnant, à la surface de liaison entre les deux éléments, la forme d'un tronc de cône à faible pente, la longueur du joint réalisé étant un multiple important de l'épaisseur de paroi des éléments tubulaires devant être re- liés entre eux. Dans la pratique, et selon une autre caractéristique de l'invention, la surface conique de liaison des deux éléments tubulaires est réalisée par la juxtaposition de cylindres suc- cessifs présentant avec le cylindre précédent une différence de diamètre extrêmement faible. Selon une autre caractéristique de l'invention, le joint est réalisé par interposition, entre les surfaces coni- ques mile et femelle respectivement prévues-aux extrémités à raccorder de deux éléments tubulaires, d'un film de colle au- to-durcissable, le durcissement de la colle se faisant sous précontrainte de pression. Dans une forme d'exécution de l'invention, visant à la réalisation d'un joint électriquement isolant entre les deux éléments tubulaires successifs raccordés, la colle utilisée est avantageusement constituée par une résine époxy électriquement isolante. Ainsi que des essais l'ont montré, une colle électri- quement isolante et présentant les caractéristiques mécaniques souhaitées pour la liaison des éléments tubulaires métalliques à relier, est la résine époxy du type ESP 110 diffusée dans le commerce sous la dénomination déposée NPERMABOND". D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion, ressortiront plus en détail de la description qui va sui- vre, en regard des dessins annexés qui illustrent, schématique- ment et simplement à titre d'exemple, un mode de réalisation préféré du joint perfectionné conforme à l'invention. Sur ces dessins: La Fig. 1 a est une vue longitudinale en coupe d'un premier tronçon de la liaison tubulaire, montrant la partie mâle équipée d'un taraudage de liaison avec la par- tie femelle d'extrémité d'un tube adjacent non représenté à raccorder; La Fig. 1 b est une vue longitudinale en coupe du tronçon sui- vant de la liaison tubulaire; La Fig. 1 c est une vue longitudinale en coupe du tronçon fai- sant directement suite au tronçon tubulaire repré- senté à la figure 1 b; La Fig. 1 d est une vue longitudinale en coupe du tronçon fai- sant directement suite au tronçon tubulaire repré- senté à la figure 1 c; La Fig. 1 e est une vue longitudinale en coupe du dernier tron- çon tubulaire, au niveau de l'évasement maximal de la surface tronconique, et La Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale axiale, à très grande échelle, de la section du joint encadré par un cartouche à la fig. ld. Sur les dessins annexés, et pour pouvoir représenter à une échelle utilisable les divers détails du joint conforme à l'invention, on a sur sa longueur, qui dans la pratique s'étend sur une longueur de cinquante centimètres à un mètre environ, subdivisé ce joint en plusieurs tronçons que l'on a désignés chacun, dans leur ensemble, par les références 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 8. A la figure 1 a, qui représente à titre d'exemple d'élément tubulaire à raccorder, un drill-collar utilisé notam- ment dans l'industrie pétrolière, l'extrémité mile de ce der- nier, désigné par la référence 9, comporte un épaulement 10 se poursuivant par un filetage mâle 11 légèrement conique, tandis que l'autre extrémité dudit drill-collar plus spécialement il- lustrée sur la partie droite de la figure 1 e, comporte un éva- sement 12 pourvu d'un taraudage 13 dans lequel vient se visser l'extrémité mâle correspondante d'un tube métallique voisin à raccorder, non représenté sur le dessin. L'assemblage de deux éléments tubulaires à l'aide du joint conforme à l'invention se fait selon une surface tronco- nique en réalité réalisée à l'aide de cylindres successifs de diamètres croissants pour la partie femelle et décroissants pour la partie mâle, chaque cylindre présentant avec le précé- dent une différence de diamètre minime. La liaison des deux cônes de faible pente réalisés l'un à l'extrémité inférieure d'un tube à raccorder et l'autre à l'extrémité supérieure correspondante d'un second tube à rac- corder au premier se fait donc selon un tronc de cône à faible pente, la longueur du joint étant un multiple important de l'é- paisseur de paroi des tubes à raccorder. Pour que la liaison soit parfaite sur le plan des contraintes mécaniques, elle se fait par collage notamment par insertion d'une couche de colle de faible épaisseur entre les deux troncs de cône insérés l'un dans l'autre. Pour assurer une résistance parfaite aux contraintes de traction, de torsion, de flexion et/ou de flambage qui se présentent entre les deux éléments raccordés, il est souhaita- ble que la liaison soit réalisée à l'aide d'une résine époxy. Pour assurer par ailleurs une liaison électriquement isolante des deux éléments tubulaires, telle qu'elle est dési- rable, il est apparu avantageux d'utiliser la résine époxy du type ESP 110 diffusée sous la marque déposée "PERMABOND". Pour assurer un centrage parfait des troncs de cône de raccordement de deux éléments tubulaires à relier, l'inven- tion prévoit que les cônes dégradés à solidariser par collage sont maintenus en position axiale correcte en disposant, entre deux surfaces cylindriques en regard des cônes dégradés de liaison, des bagues intercalaires en matière plastique. L'invention prévoit avantageusement que les bagues isolantes sont réalisées en wRITON" (marque déposée de la Com- pagnie du Pont de Nemours). Sur les dessins, les éléments cylindriques dégradés formant les troncs de cône de liaison, sont désignés par les références 14, 15, 16 et 17. 2635819 En ce qui concerne les bagues de centrage en matière plastique, elles sont désignes par les références 18, 19, 20, 21, 22 et 23. Pour mettre correctement en place dans le joint, en- tre les éléments tronconiques en regard, la résine époxy ser- vant de colle de liaison, il est prévu dans la paroi de chaque tube à relier, des orifices tels que 24, 25, 26 et 27 à l'aide desquels on fait le vide, injecte la colle et la comprime, avantageusement sous une pression de 300 bars, pendant toute la durée de la polymérisation, ce afin d'exercer sur cette colle époxy une pré-contrainte destinée à empêcher ultérieurement, lors de la descente des éléments tubulaires reliés entre eux dans un puits de forage o règne une pression inférieure à 300 bars, toute pénétration de liquide du puits dans d'éven- tuelles fissures de la colle. Lorsque la liaison des éléments tubulaires à raccor- der doit être isolante, ce qui est le cas par exemple lorsque ces éléments doivent jouer un rôle de transmission électroma- gnétique de signaux d'enregistrement de paramètres, les bagues de centrage sont avantageusement réalisées en un matériau plas- tique isolant et subdivisées en deux demi-bagues présentant, avantageusement pour le passage de la colle, une longueur infé- rieure à celle d'un demi-cercle. Lorsque la jonction électriquement isolante sert à constituer, dans un train de masses-tiges de forage, un système d'antenne pour émission de paramètres, l'extrémité de la partie femelle du raccord, sur la figure lds, à droite du joint X, est divisée en anneaux A, B, C, D,...... J. La figure 2 représente la jonction entre deux an- neaux qui présentent, à leur jonction, un joint X en élastomère dont la forme est bien visible. L'injection de la colle est faite en deux fois. La première fois, elle a lieu dans l'espace situé en- tre les bagues 18 et 21 par les ajutages 24 et 25 formant res- pectivement l'entrée et la sortie. Des joints toriques 32 et 33 sont prévus aux extrémités de l'espace compris entre les bagues 18 et 21 pour assurer l'étanchéité du volume intersticiel ainsi défini. La deuxième fois, la résine époxy est introduite dans l'espace formé sous les anneaux, -par les ajutages 26 et 27. A la figure 2, qui est une vue à grande échelle de la partie de jonction encadrée dans le cartouche de la Figure ld, on peut voir que les anneaux A, B, C sont isolés électrique- ment les uns des autres et de la masse du tube, d'une part par la colle injectée et, d'autre part, par des joints toriques X de configuration particulière. Ces joints X comportent une rainure périphérique ser- vant chaque fois à la réception d'une rondelle de calage dési- gnée par la référence Z, ces rondelles Z assurant l'écartement correct entre les anneaux, approximativement 1,5 mm. Pendant l'injection de la colle sous les anneaux, les joints X entre anneaux, assurant l'étanchéité, sont maintenus par ces rondelles Z serrées entre deux anneaux, lesdites ron- delles, qui font saillie, lors de leur mise en place dans les rainures, au delà de la surface périphérique externe de l'ou- til, étant, après durcissement de la colle, arasées au niveau de la surface cylindrique externe de l'outil. L'isolement électrique assuré par les anneaux, qui présentent chacun une largeur d'environ 6 cm, est complété, a l'intérieur des tubes par une gaine cylindrique 36 en matière isolante, d'une longueur de 50 cm au moins, qui est collée d'un côté à l'intérieur de la pièce supérieure mâle et de l'autre côté de la pièce femelle. L'espace 37 situé derrière la gaine cylindrique isolante 36 est, après collage, rempli d'un élas- tomère liquide durcissable qui est introduit avantageusement par le petit canal 38. Il va de sol que l'invention n'a été décrite et re- présentée qu'à titre purement explicatif, nullement limitatif, et que diverses modifications de détail pourraient être appor- tées à la forme de réalisation Indiquée, sans que l'on sorte pour autant du domaine de l'invention. C'est ainsi, par exemple, que le nombre des cylindres dégradés pourrait être différent de celui représenté et que la longueur de ces cylindres pourrait être plus ou moins impor- tante selon leur nombre. 7 2635819 De même, le nombre et la largeur des anneaux tels que A, B, C, D,..... J pourraient également être différents de ceux représentés simplement à titre d'exemple sur les dessins. 8 26358 19 R E VE ND I C A T I ON S 1. Système de jonction bout à bout de deux éléments tubulaires métalliques, caractérisé par le fait que la liaison entre les deux éléments tubulaires métalliques à raccorder bout à bout se fait en donnant, a la surface de liaison entre les deux éléments, la forme d'un tronc de c6ne à faible pente, la longueur du joint réalisé étant un multiple important de l'é- paisseur de paroi des éléments tubulaires devant être reliés entre eux. 2. Système de jonction bout à bout de deux éléments tubulaires selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface conique de liaison des deux éléments tubulaires est réalisée par la juxtaposition de cylindres successifs (14, , 16, 17) présentent avec le cylindre précédent une diffé- rence de diamètre extrêmement faible. 3. Système de jonction bout à bout de deux éléments tubulaires selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le joint est réalisé par interposition, entre les sur- faces coniques mâle et femelle respectivement prévues aux ex- trémités à raccorder de deux éléments tubulaires, d'un film de colle auto-durcissable. 4. Système de jonction bout à bout de deux éléments tubulaires selon les revendications 1 i 3, caractérisé par le fait que la colle utilisée est constituée par une résine époxy électriquement isolante. 5. Système de jonction bout i bout de deux éléments tubulaires selon l'une des revendications 1 i 4, caractérisé par le fait qu'une colle électriquement isolante et présentant les caractéristiques mécaniques souhaitées pour la liaison des éléments tubulaires à paroi mince, est la résine époxy du type ESP 110 diffusée dans le commerce sous la dénomination déposée PERMABOND". 6. Système de jonction bout à bout de deux éléments tubulaires selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les cylindres dégradés (14, 15, 16, 17) à soli- dariser par collage sont maintenus en position axiale correcte en disposant, entre deux surfaces cylindriques en regard des cylindres dégradés de liaison, des bagues de centrage en ma- tière plastique, lesdites bagues étant subdivisées en deux par- ties dont chacune, en vue du passage de la colle, a une péri- phérie inférieure à celle d'un demi-cercle. 7. Système de jonction électriquement isolant pouvant servir à constituer une structure d'antenne dans un train de tiges de forage, caractérisé par le fait que les deux parties tubulaires reliées entre elles sont électriquement séparées l'une de l'autre sur une distance relativement importante va- riant de 50 cm à 1 mètre, à l'extérieur par la succession d'an- neaux métalliques (A à J) isolés entre eux et par rapport à la masse, a l'intérieur par le tube isolant (36). 8. Système de jonction selon la revendication 7, ca- ractérisé par le fait que la colle est durcie sous précon- trainte, la pression appliquée étant de 300 bars au moins. 9. Système de jonction selon les revendications 7 a 8, caractérisé par le fait que les anneaux intercalaires (A, B, C, D,..... J) sont séparés par des joints (X) comportant une rondelle intercalaire (Z) qui est arasée au diamètre extérieur de l'outil après la prise de la colle.