Brevet FR2717882A1 — publié le 19950929

i Les protecteurs de tige sont des éléments tubulaires en caoutchouc qui entourent les tiges utilisées dans les opérations de forage de puits. Le protecteur de tige en caoutchouc sert d'amortisseur pour la tige qui est introduite dans le tubage métallique du puits. Le protecteur de tige doit s'ajuster de manière appropriée sur la circonférence externe de la tige. Pendant l'opération de forage, la tige est entraînée en rotation rapidement. Si le protecteur de tige n'est pas fixé de manière appropriée, il peut s'écarter par glissement de sa position voulue sur la tige. La présence de protecteurs de tige fiables est nécessaire au cours des opérations de forage directionnel pendant lesquelles le puits est foré suivant un certain angle dans une direction non verticale. Dans ce cas, en l'absence de protecteur, la tige entre en contact métal-métal avec la paroi du tubage ce qui provoque une usure de la tige. Il est possible d'éviter ce contact en disposant de place en place des protecteurs de tige le long du train de tiges. Le protecteur de tige de type fendu est un protecteur de tige bien connu dans la technique. Dans celui-ci, l'élément tubulaire en caoutchouc a une longueur d'environ 10 à 30,5 cm (4 à 12 pouces) et présente une ouverture sur toute sa longueur pour faciliter son installation sur la tige. Lorsque la tige est entourée par le protecteur, l'élément tubulaire en caoutchouc est fixé. De nombreux protecteurs de tige de type fendu comportent des dents métalliques à engrènement réciproque qui sont recouvertes de caoutchouc et qui peuvent être solidarisées au moyen d'une attache à broche qui est insérée longitudinalement dans les dents. Les dents métalliques sont reliées à une pièce d'insertion métallique cylindrique située à l'intérieur de l'élément tubulaire en caoutchouc. La pièce d'insertion métallique peut être lisse ou ondulée. Le diamètre interne du protecteur de tige comcide avec le diamètre externe de la tige de forage. Les protecteurs de tige conventionnels sont sensibles à la taille du diamètre externe de la tige sur laquelle ils sont disposés. Des variations du diamètre interne de la tige d'environ -0,025 cm (-0,010 pouce) réduisent les forces de serrage du protecteur de tige et permettent à celui-ci de glisser ou tourner sur la tige sous l'action de forces latérales relativement faibles. Habituellement, le diamètre externe des tiges de forage peut varier de - 0,05 % en fonction de la taille de la tige. Les protecteurs de tige conventionnels glissent sur les tiges sous- dimniensionées et ne parviennent pas à procurer l'effet d'amortissement voulu, ce qui peut être néfaste pour l'opération de forage. En outre, le protecteur de tige peut être perdu dans le puits, auquel cas l'opération de forage doit être interrompue pour récupérer le protecteur de tige. Le glissement de protecteurs de tige sous- dimensionnés sur les tiges de forage pose un grave problème. Les tentatives visant à résoudre ce problème comprennent le fait de prévoir des bandes de caoutchouc autour de la circonférence de la tige avant de placer le protecteur de tige sur celle- ci. Bien que ce procédé donne certains résultats pour réduire le glissement, il est fastidieux et incommode dans les applications réelles. Pour remédier à ces inconvénients, la présente invention fournit un protecteur de tige à diamètre variable qui empêche le glissement sur les tiges sous- dimensionnées mais qui peut être utilisé aussi sur les tiges de taille normale. Ainsi, la présente invention fournit un protecteur de tige qui est caractérisé par un élément tubulaire en caoutchouc dont le diamètre interne correspond au diamètre approximatif d'une tige, une ouverture sur la longueur de l'élément tubulaire en caoutchouc qui peut s'écarter pour faciliter l'installation du protecteur sur la tige, un moyen de fermeture pour fixer l'élément tubulaire en caoutchouc sur la tige et au moins une lame ou bande en caoutchouc détachable qui est fixée sur la surface interne de l'élément tubulaire en caoutchouc. Dans un mode de réalisation, la lame ou bande en caoutchouc fixée à la surface interne peut être coupée. La partie coupée est retirée tandis que la partie restante demeure fixée. Cette bande permet d'augmenter l'épaisseur du protecteur pour compenser le diamètre réduit de la tige sous-dimensionnée. Plus le diamètre de la tige est faible, plus la proportion de bande qui demeure à l'intérieur du protecteur de tige est importante pour obtenir une fixation suffisante sur la tige. Dans un mode de réalisation que l'on préfère, la bande s'étend sensiblement sur toute la longueur de l'élément tubulaire en caoutchouc. Lorsque le diamètre de la tige est normal, la bande peut être détachée et retirée totalement. Le moyen de fermeture est utilisé pour fixer le protecteur de tige lorsque la bande a été coupée et détachée. L'élément d'insertion métallique cylindrique muni de dents métalliques à engrènement réciproque est inclus dans cet agencement. Dans un autre mode de réalisation, des bandes en caoutchouc détachables multiples sont fixées sur la surface interne du protecteur de tige. Au cours de l'installation du protecteur de tige sur la tige, on conserve sur le côté interne du protecteur de tige un nombre suffisant de bandes en caoutchouc pour obtenir une fixation appropriée. La ou les bandes sont de préférence fixées au moyen d'un adhésif pour permettre un retrait relativement facile. Les bandes sont disposées sur la surface interne de l'élément tubulaire en caoutchouc de manière à ne pas se chevaucher. Les protecteurs de tige de type fendu conventionnels peuvent être munis d'une ou plusieurs bandes détachables pour s'adapter ià des tiges sous- dimensionnées présentant différents diamètres. D'autres caractéristiques et avantages dc l'invention apparaitront mieux dans la description détaillée qui suit et se réfère aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple, et dans lesquels: la figure 1 est une vue de dessus de l'un des modes de réalisation préférés du protecteur de tige à diamètre variable qui comporte trois bandes détachables; la figure 2 est une vue de côté du protecteur de tige à diamètre variable installé sur une longueur de tige; la figure 3 est une coupe longitudinale du protecteur de tige et de la tige sur laquelle il est installé; la figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 3; et la figure 5 est une vue de dessus d'un mode de réalisation du protecteur de tige que l'on préfère, qui comporte une bande. Les protecteurs de tige de la présente invention peuvent être constitués par des polymères utilisés généralement pour le forage des puits et connus de l'homme du métier. Un haut copolymère acrylonitrile-butadiène connu également sous l'appellation polymère à base de nitrile est un caoutchouc que l'on préfère. L'élément tubulaire a une dureté au duromètre Shore A d'environ 50 à environ 80 et de préférence d'environ 65 à 70. La dureté des différentes bandes en caoutchouc est identique mais il n'est pas nécessaire qu'elle soit identique à la dureté de l'élément tubulaire. Dans un mode de réalisation que l'on préfère, on utilise un caoutchouc qui présente un coefficient de frottement élevé. Le caoutchouc constitué par un copolymère à base d'acrylonitrile résiste aux hydrocarbures, présente une résistance à la traction et au déchirement élevée, une résistance à l'abrasion et à la chaleur élevée et est imperméable aux gaz. Le caoutchouc constitué par un copolymère à base d'acrylonitrile peut contenir des additifs connus pour améliorer certaines caractéristiques. Dans le mode de réalisation que l'on préfère, les bandes sont constituées par un caoutchouc qui présente des caractéristiques chimiques et physiques et une résistance chimique semblables. Le tableau 1 ci-dessous indique une formule de polymère que l'on préfère pour un caoutchouc coloré qui n'est pas renforcé par du carbone. Tableau 1 Polymère coloré non r.nforcé par du carboni Constituant Parties pour 100 parties de polymère Polymère NBR 100 Oxyde de zinc 4 - 9 Silice 25 Acide stéarique 1,0 - 1,5 Antioxydants et antiozone 3,5 - 10,0 Huiles plastifiantes 25 - 50 Résine de renforcement et agent de traitement de résine 5 - 15 Colorant oxyde de fer 3 - 8 Agent de traitement sulfénamide 2 - 5,5 Agent de traitement thiurame 1,5 - 4,5 Le tableau 2 ci-dessous indique une formule de polymère que l'on préfère pour un polymère renforcé par du noir de carbone. Tableau 2 Polymère renforcé par du noir de carbone Constituant Parties pour 100 parties de polymère Polymère NBR 100 Oxyde de zinc 4 - 9 Acide stéarique 1,0 - 1,5 Noir de carbone (N774) 30 - 70 Antioxydants et antiozone 3,5 -10,0 Huiles plastifiantes 25 - 50 Résine de renforcement et agent de traitement de résine 5 - 15 Agent de traitement sulfénamide 2 - 5,5 Agent de traitement thiurame 1,5 - 4,5 Les figures représentent des modes de réalisation de protecteurs de tige à diamètre variable que l'on préfère. Le protecteur de tige représenté sur la figure 1 comporte trois lames ou bandes de caoutchouc qui lui permettent de s'adapter à une large gamme de diamètres externes de tige. Spécifiquement, le corps 10 du protecteur de tige est un élément en caoutchouc sensiblement tubulaire. Les bandes 12, 14 et 16 sont fixées sur la surface interne de l'élément tubulaire 10. La fixation des bandes au niveau des points de fixation 18, 20 et 22 est assurée de préférence par un adhésif pour caoutchouc. La figure 1 montre également l'ouverture 24 du protecteur de tige de type fendu qui peut s'écarter pour faciliter l'installation de la tige, ainsi que le sommet de la broche de fixation 26. La figure 2 représente le protecteur de tige installé sur une tige 28. Les bandes 12, 14 et 16 ne sont pas visibles sur cette figure. L'ouverture 24 du protecteur de tige est en forme de dents à engrènement mutuel ou réciproque. La broche 26 est insérée dans les dents pour fermer et fixer l'élément tubulaire 10 sur la tige 28. L'élément tubulaire comporte des trous d'installation 30 et 32 prévus pour faciliter la fermeture de l'élément tubulaire 10 sur la tige 28. La figure 3 représente en coupe longitudinale une partie de la tige 28 et l'élément tubulaire 10 entre lesquels on distingue deux bandes F1 et F2 qui sont deux des trois bandes représentées sur la figure 1. Les autres signes de référence sont les mêmes que sur les autres figures. La coupe longitudinale de cette figure montre l'élément métallique cylindrique 29 qui constitue une pièce d'insertion dans l'élément tubulaire en caoutchouc 10. La coupe transversale de la figure 4 représente un mode de réalisationà trois bandes installé sur une tige dont le diamètre externe est tel que les trois bandes assurent un ajustement approprié du protecteur sur la tige. L'ouverture 24 est maintenue en position fermée par la broche 26. Dans ce mode de réalisation, l'élément métallique 29 est une pièce d'insertion ondulée qui comporte des dents creuses à engrènement mutuel dont l'une est représentée en 27. La broche 26 traverse ces dents métalliques qui sont recouvertes de caoutchouc en assurant ainsi la fermeture du protecteur de tige autour de la tige. Les bandes en caoutchouc 12, 14 et 16 qui sont visibles entre la tige 28 et l'élément tubulaire 10 fournissent au protecteur de tige un supplément d'épaisseur destiné à compenser la taille réduite de la tige sous-dimensionnée. Il est prévu un espace entre les bandes, de chaque côté de l'ouverture 24 et de la broche 26, pour que les bandes n'interfèrent pas avec la fermeture. La figure 5 représente un mode de réalisation à une seule bande en vue de dessus. L'élément tubulaire 40 en caoutchouc constitue le corps du protecteur de tige de type fendu. L'ouverture 42 destinée à faciliter l'introduction de la tige et la broche 44 sont identiques à celles qui sont décrites ci-dessus pour les modes de réalisation à bandes multiples. Le mode de réalisation représenté sur la figure 5 comporte une bande 46 munie d'un point de fixation 48. Elle peut être munie de plusieurs points de fixation à condition quelle puisse être retirée facilement. Une partie de la bande est coupée et retirée de manière à laisser sufisamment de bande pour compenser le diamètre réduit de la tige sous- dimensionnée et pour permnnettre une fixation suffisante. Dans une installation réelle, le protecteur de tige de la présente invention est tout d'abord ajusté sur la tige à titre d'essai. Si l'on constate que le protecteur de tige s'ajuste convenablement sur la circonférence externe de la tige lorsque toutes les bandes sont maintenues en place, on ne retire aucune bande. Si l'on constate que les bandes occupent un volume trop important pour permettre un bon ajustement on peut retirer des bandes dans une mesure suffisante pour obtenir un ajustement approprié. Les bandes sont fixées pour permettre une séparation manuelle. Dans le mode de réalisation que l'on préfère, les bandes sont fixées au moyen d'un adhésif tel qu'un adhésif pour caoutchouc. Dans un autre mode de réalisation il est possible d'utiliser une fixation mécanique telle qu'une agrafe. Dans le mode de réalisation à une seule bande, une partie de la bande est coupée et détachée et le protecteur de tige est replacé sur la tige. Il est possible de couper et détacher une partie supplémentaire de la bande jusqu'à ce que l'on obtienne le bon ajustement. Le tableau 3 suivant montre les avantages que l'on obtient grâce au protecteur de tige à diamètre variable. Des tiges de forage présentant des diamètres externes compris entre 12,7 cm et 12,26 cm (5,00 pouces et 4,830 pouces) ont été testées pour déterminer la force de sollicitation latérale exercée sur la tige qui serait susceptible d'entraîner un glissement du protecteur de tige. Les tiges de forage standards pour un diamètre extemrne de 12,7 cm (5 pouces) sont souvent sous- dimensionnées. Le minimum API (American Petroleum Institut) pour une tige de 12,7 cm est de 12,26 cm (4,830 pouces). Dans l'essai de sollicitation latérale on a utilisé un protecteur de tige à diamètre variable à trois bandes. La machine d'essai permet de mesurer le glissement entre le tubage et le protecteur de tige qui tourne. i est possible également d'injecter une boue de forage entre la paroi du tubage et le protecteur de tige qui tourne pour simuler des conditions réelles de forage. Le mode opératoire d'essai a été développé par la société Mauer Engineering Inc., 2916 West T.C. Jester, Houston, Texas 77018 USA. Cc mode opératoire est publié dans un article intitulé "Laboratory Drill Pipe Protector Tests", Garkasi, Ali; Hall, Russel W. Jr., et Deskins, W. Gregory; PD Vol. 56 Drilling Technology, Editeur: John P. Vozniak, Book n G00827, ASME (1994), présenté à la Energy Sources Technology Conference & Exhibition, New Orleans, LA, USA, les 23- 26 janvier 1994. Le protecteur de tige standard sans bande est conçu pour s'adapter de manière appropriée sur une tige d'un diamètre externme de 12,7 cm (5 pouces). Tableau 3 Résultats d'essais réalisés sur le protecteur de tige à diamètre variable Sollicitation de glissement Diamètre externe Standard 1 bande 2 bandes 3 bandes de la tige N (lbs) N (lbs) N (lbs) N (Ibs) cm (pouces) 12,7 (5,00) 42981 9663 NT NT NT 12,64 (4,975) 35228 7920 49382 11102 53376 >12000 53376 >12000 12,57 (4,950) 17214 3870 35339 7945 47344 10644 53376 >12000 12,45 (4,900) 3140 706 21751 4890 31091 6990 53376 >12000 12,26 (4,830) NT = non testé Comme le montre le tableau 3, le protecteur de tige standard dimensionné pour s'adapter à une tige d'un diamètre extemrne de 12,7 cm glisse sur une telle tige dans le cas d'une sollicitation latérale de 42 981 N. La capacité de la machine d'essai était de 53 376 N (12 000 lbs). Lorsque le diamètre de la tige diminue, le volume supplémentaire fourni par les bandes compense la différence de diamètre et empêche le glissement. Dans la plupart des cas, le protecteur de tige à diamètre variable empêche le glissement sur une tige sous-dimensionnée pour une sollicitation latérale supérieure à la sollicitation latérale qui entraîne un glissement du protecteur de tige standard sur une tige d'un diamètre externe de 12,7 cm (5 pouces). REVENDICATIONS 1. Protecteur de tige caractérisé par un élément tubulaire (10) en caoutchouc dont le diamètre interne correspond sensiblement au diamètre d'une tige, une ouverture (24) sur la longueur de l'élément tubulaire en caoutchouc, capable de s'écarter pour faciliter l'installation sur la tige, un moyen de fermeture (26) pour fixer l'élément tubulaire en caoutchouc sur la tige et au moins une bande en caoutchouc détachable (12, 14, 16) fixée sur la surface interne de l'élément tubulaire en caoutchouc. 2. Protecteur de tige selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite bande détachable est une bande détachable unique qui s'étend sensiblement sur la circonférence interne de l'élément tubulaire en caoutchouc que l'on peut couper longitudinalement et dont on peut retirer la partie coupée. 3. Protecteur de tige selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ou lesdites bandes détachables s'étendent sensiblement sur la longueur de l'élément tubulaire. 4. Protecteur de tige selon la revendication 1, caractérisé par des bandes en caoutchouc détachables multiples fixées sur la surface interne de l'élément tubulaire en caoutchouc et qui s'étendent sur la longueur de l'élément tubulaire en caoutchouc. 5. Protecteur de tige selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément tubulaire en caoutchouc et les bandes en caoutchouc sont constitués par le même polymère et les mêmes additifs pour procurer la même résistance chimique. 6. Protecteur de tige selon la revendication 4, caractérisé en ce que les bandes ne se chevauchent pas. 7. Protecteur de tige selon la revendication 4, caractérisé par une pièce d'insertion métallique (29) sensiblement cylindrique recouverte par l'élément tubulaire en caoutchouc. 8. Protecteur de tige selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pièce d'insertion métallique sensiblement cylindrique comporte une ouverture formant des dents à engrènement mutuel (27) sur la longueur de la pièce d'insertion métallique cylindrique et en ce que ladite ouverture (24) de l'élément tubulaire forme des dents en caoutchouc à engrènement mutuel qui recouvrent les dents de la pièce d'insertion métallique. 9. Protecteur de tige selon la revendication 4 ou 8, caractérisé en ce que lesdites bandes sont fixées par un adhésif. 10. Protecteur de tige selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pièce d'insertion métallique cylindrique est lisse. 11. Protecteur de tige selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pièce d'insertion métallique cylindrique est ondulée. 12. Protecteur de tige selon hla revendication 8, caractéris6 en ce que ledit moyen de fermeture est une broche insérée dans une ouverture formée dans les dents à engrènement mutuel de la pièce d'insertion métallique et de l'élément tubulaire en caoutchouc. 13. Protecteur de tige selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites bandes sont fixées au moyen d'une attache mécanique.