Brevet FR2714932A1 — publié le 19950713

Gorge de soulagement de contrainte pour tige de forage. L'invention concerne des gorges de soulagement de contrainte pour tubes en général, en particulier une gorge de soulagement de contrainte pour augmenter la durée de vie à la fatigue des portions de tube d'une tige de forage. Des défaillances dues à la fatigue dans les tiges de forage sont provoquées par des inversions de contrainte produites quand la tige est entraînée en rotation à l'état incurvé. Ces contraintes sont concentrées dans la mince section de paroi de la tige de forage qui est adjacente des sections refoulées épaissies à chaque extrémité du tube, c'est-à- dire à l'endroit o la section refoulée épaissie disparaît. Actuellement, les tiges de forage sont soumises à des contraintes de plus en plus élevées du fait de l'utilisation de dispositifs d'entraînements par le haut, de puits plus profonds et de trous très inclinés. Cette condition a été en outre aggravée par un environnement plus hostile à mesure qu'augmente la présence de H2S, CO2 et d'eau saline. De nombreux entrepreneurs et opérateurs de forage de pétrole ont mené des études sur un très grand nombre de défaillances. La plupart apparaissent dans le tube dans une position adjacente à la modification presque abrupte de l'épaisseur de la paroi entre le tube et les portions d'extrémité refoulées du tube. Des dégâts par glissement sur cette portion du tube ont également contribué à ces problèmes. On a également observé qu'une détérioration rapide du revêtement en matière plastique interne dans cette zone aggrave le problème. Aussi bien des tests physiques que des analyses finies d'éléments de la tige de forage API ont montré qu'il existait une forte concentration des contraintes sur le côté interne du tube à l'endroit o disparaissent les courtes sections de raccordement refoulées et abruptes de la paroi de la tige de forage. Dans le brevet US-A 5 184 495 est décrit un procédé pour refouler l'extrémité d'un tube d'une tige de forage qui produit une section de transition conique interne 2 2714932 sensiblement plus longue entre la section refoulée cylindrique interne relativement épaisse et la paroi nominale du tube. La longueur de cette section de transition, mesurée le long de l'axe longitudinal du tube, est appelée "Miu". Du fait de l'allongement de cette section Miu, la durée de vie à la fatigue du tube est très augmentée. Par exemple, trois joints A, B et C à section Miu relativement courte et trois joints D, E et F présentant des conicités Miu de 17 cm (6-11/16"), 18,7 cm (7-3/8") et 19,68 cm (7-3/4") ont été entraînés en rotation à l'état incurvé selon un rayon de courbure de 52,6m (173 pieds), ce qui est l'équivalent d'une courbure de 33 degrés par 30,5m (100 pieds). Les joints A, B et C ont subi une défaillance respectivement après 237.618, 235.296 et 205. 884 cycles. Les joints D, E et F ont subi une défaillance respectivement après 382.666, 462.028 et 569.664 cycles. Ces tests ont montré que l'allongement de la conicité Miu de la tige de forage refoulée à l'intérieur et à l'extérieur augmente la durée de vie à la fatigue du tube. Cette demande est incorporée ici à titre de référence. Des tests similaires sur une tige à longue section conique reliant le tube à la partie refoulée montre une grande réduction des contraintes dans la section du tube qui est adjacente à la section conique à l'intérieur de la section de tube. En fait, la contrainte est plus faible à l'intérieur du tube qu'à l'extérieur du tube. Ceci résout certains problèmes en ce qui concerne l'inspection. Il est très difficile avec les techniques d'inspection actuelles de découvrir une fissure à l'intérieur d'une tige de forage revêtue de matière plastique. La détection de fissures sur le côté externe du tube est beaucoup plus facile. Il est également plus facile d'appliquer un revêtement uniforme de matière plastique sur une longue partie faiblement conique que d'appliquer un tel revêtement sur une courte partie conique d'angle important. On pense que ceci allonge considérablement la durée de vie de la tige de forage. Dans le passé, on a usiné des gorges de soulagement de contrainte dans des masses-tiges et des outils de forage à paroi épaisse pour réduire les contrainte en flexion dans les connexions. Actuellement, ces caractéristiques constituent une pratique habituelle et semblent bien fonctionner. La raison étant que les masses-tiges et les outils de forage à paroi épaisse ont tendance à s'infléchir au niveau des connexions. Du matériau a été éliminé par usinage de façon que ces connexions présentent une résistance plus faible à la flexion que l'épais corps de paroi auquel elles sont reliées. Des gorges de soulagement de contrainte constituées dans les connexion réduisent leur rigidité et permettent aux connexions de s'infléchir, réduisant ainsi les contraintes en flexion. Ceci augmente la durée de vie à la fatigue des connexions. Dans le cas d'une tige de forage, le problème est exactement l'inverse de celui des masses-tiges. La tige de forage ne s'infléchit pas au niveau des sections refoulées à paroi épaisse et des joints d'accouplement d'outils -- elle s'infléchit dans le tube à paroi mince au niveau ou à proximité de la partie finale de la partie refoulée. Quand on considère la partie refoulée d'un tube, on constate qu'il n'y a pas de place pour une gorge de soulagement de contrainte du fait de la région réservée au soudage et de 2 5 la zone d'effet de la chaleur. Il faut une épaisseur de paroi refoulée maximale dans cette région pour être certain que la soudure est plus résistance que le tube de la tige de forage. Ceci fait qu'il faut considérer le ct(-St dVi la soudure qui est du côté du joint d'accouplemenrt d'o-utll. Ceci constitue un emplacement idéal pour une gorge du fait que le métal dans le joint d'accouplement d'outil est très soigneusement contrôlé de manière que sa limite élastique minimale soit de (120.000 psi) 828 MPa. Donc, cette section est uniformément beaucoup plus résistante que le tube de la tige de forage du fait de son aire en section plus importante. Comme l'épaisseur et la résistance de paroi du matériau restent constantes, l'effet d'une gorge de soulagement de contrainte dans cette région devient alors sensiblement constant. Pour constituer un espace pour la gorge, le collet de soudage doit s'étendre sur approximativement 6,35 cm (2 1/2 pouces). Ceci maintient la gorge de soulagement de contrainte éloignée de la soudure et de la zone d'effet de la chaleur. Une gorge de soulagement de contrainte en ce point réduit la rigidité dans la partie refoulée et permet un certain degré de flexion qui réduit les contraintes en flexion dans le tube de la tige de forage et dans la région de la soudure. Dans la demande Série No 07/985.832 associée, il a été indiqué que l'allongement du collet de soudage à 6,35 cm (2 1/2 pouces) permet également de maintenir la gorge de soulagement de contrainte hors du rayon du joint d'accouplement d'outil. Ainsi que cela sera discuté ci- dessous, il est maintenant clair qu'il est avantageux que la conicité du joint d'accouplement d'outil forme une portion de la section arquée de la gorge qui est adjacente à la section agrandie du joint d'accouplement d'outil. Un but de l'invention est de prolonger la durée de vie à la fatigue d'un joint d'une tige de forage comprenant une section de tube à extrémités refoulées et à joints d'accouplement d'outils soudés aux extrémités refoulées de la section de tube en disposant une gorge de soulagement de contrainte dans le collet de soudage du joint d'accouplement d'outil. Un autre but de l'invention est de prolonger la durée de vie à la fatigue d'un joint d'une tige de forage en disposant une gorge de soulagement de contrainte dans le collet de soudage du joint d'accouplement d'outil en augmentant le rayon entre la section conique et le collet de soudage formant une portion de la gorge, la gorge étant arquée ou arquée à chaque extrémité et cylindrique entre ces dernières. Un autre but encore de l'invention est prolonger la durée de vie à la fatigue d'un joint d'une tige de forage en disposant une telle gorge de soulagement de contrainte dans le collet de soudage du joint d'accouplement d'outil, le rapport entre l'aire en section au- dessous de la gorge divisée par l'aire en section du tube donnant un facteur de sécurité d'environ 1,6. Un autre but et une autre caractéristique de l'invention consistent à proposer une gorge de soulagement de contrainte pour un joint d'une tige de forage dans lequel la gorge est arquée et présente une profondeur comprise entre environ 0,32 cm (1/8") et 0,63 cm (1/4"). Un autre but et une autre caractéristique de l'invention consistent à proposer une gorge de soulagement de contrainte pour la section de tube d'un joint d'une tige de forage qui est située dans le collet de soudage du joint d'accouplement d'outil qui est soudé sur le tube et comprend une section cylindrique avec des sections arquées sur les côtés opposés de la section cylindrique. Un autre but et une autre caractéristique de l'invention consistent à proposer une gorge de soulagement de contrainte pour la section de tube d'un joint d'une tige de forage qui est située dans le collet de soudage du joint d'accouplement d'outil et comprend une section cylindrique à sections arquées sur les côtés opposés, l'une étant dans le prolongement du rayon entre le joint d'accouplement d'outil et le collet de soudage. Un autre but de l'invention est de proposer une gorge de soulagement de contrainte qui s'étende sensiblement entre le rayon de la section conique du joint d'accouplement d'outil et la zone affectée par la chaleur pour réduire le module de la section et augmenter la flexibilité du collet de soudage et diminuer la contrainte dans la section de tube de la tige de forage. Un autre but de l'invention est de proposer un joint pour tige de forage dont le Miu est de 11,43 cm (4-1/2") ou plus et une gorge de soulagement de contrainte située dans le collet de soudage ou du moins dans l'un des joints d'accouplement d'outils soudés sur les extrémités refoulées de la tige. Ces buts, avantages, caractéristiques et autres de l'invention apparaîtront clairement à l'homme de l'art en référence aux dessins et aux revendication annexées. L'expression "joint de tige de forage" utilisée dans cette description désigne un tube présentant des parois relativement minces, dont les extrémités ont été refoulées pour augmenter l'épaisseur de paroi, avec des joints d'accouplement d'outils reliés à chaque extrémité. Le joint d'accouplement d'outil femelle est appelé "boite" et le joint d'accouplement d'outil mâle est appelé "raccord mâle". Sur les dessins: les figures 1 et 2 sont des vues en coupe d'une moitié d'une boîte de joint d'accouplement d'outil et d'une moitié d'un raccord mâle d'un joint d'accouplement d'outil, montrant respectivement l'approche API concernant les gorges de soulagement de contrainte pour des masses-tiges ou des outils de forage à paroi épaisse. La figure 3 est une vue en élévation d'un joint d'une tige de forage munie de deux gorges de soulagement de contrainte en accord avec l'invention. La figure 4 est une vue en coupe à plus grande échelle selon la ligne 4-4 de la figure 3. La figure 5 est une vue montrant la forme préférée de la gorge de soulagement de contrainte de l'invention. La figure 6 est une vue latérale en élévation du dispositif de test de fatigue utilisé pour tester la durée de vie à la fatigue de spécimens de tiges de forage. La figure 7 est une vue en partie en coupe et en partie en élévation d'une boite de joint d'accouplement d'outil présentant une conicité de 18' et munie d'un autre mode de réalisation de la gorge de soulagement de contrainte améliorée de l'invention, dans lequel un côté de la gorge est un prolongement du rayon entre la conicité de 18 et le collet de soudage et le centre de la gorge est cylindrique pour permettre à la longueur de la gorge d'être allongée sans augmenter sa profondeur. La figure 8 est une vue en partie en coupe et en partie en élévation d'un raccord mâle de joint d'accouplement d'outil d'une conicité de 35' muni de la gorge de soulagement de contrainte améliorée de la figure 7, dans lequel un côté de la gorge un prolongement du rayon entre la partie conique à 35 et le collet de soudage, et dans ce cas également le centre de la gorge est cylindrique pour permettre d'allonger la longueur de la gorge sans augmenter sa profondeur. La figure 9 est une vue en partie en coupe et en partie en élévation d'un raccord mâle de joint d'accouplement d'outil muni d'une gorge arquée de l'invention, un côté de la gorge étant un prolongement du rayon entre la partie conique à 18' du raccord mâle et le collet de soudage. Les figures 1 et 2 montrent les caractéristiques de soulagement de contrainte d'une connexion pour masse-tige comme spécifié dans la Spec 7 de P'API: "Rotary Drilling equipment", pages 19, 20 et 21. Une autre caractéristique de soulagement de contrainte de boîte est montrée à la page 21 mais pas sur le dessin du fait que la conception "boreback" montrée à la figure 1 s'est révélée plus fiable dans les conditions de service effectives et est recommandée. La caractéristique de soulagement de 8 2714932 contrainte "boreback" consiste en le prolongement de l'alésage lOa de la boîte sur une distance substantielle à partir des filetages avant de réduire l'alésage jusqu'à un diamètre égal à celui du collet de soudage. La gorge de soulagement de contrainte 12a prévue sur le raccord mâle est située entre les filetages et l'épaulement 12b. Une gorge de soulagement de contrainte est parfois découpée dans la surface cylindrique 12c du raccord mâle. La figure 3 est une vue en élévation d'un joint de tige de forage comprenant une section de tube 14 refoulée à l'intérieur et à l'extérieur à chaque extrémité pour constituer des sections 16 et 18 de diamètre externe augmenté et de diamètre interne diminué, produisant une épaisseur de paroi plus forte. Les extrémités refoulées du tube sont soudées aux joints d'accouplement d'outils 20 et 22 par des soudures 24 et 26. Le joint d'accouplement d'outil 20 est une connexion femelle du type boîte comprenant une section cylindrique 28 filetée à l'intérieur. La section conique 30 constitue une zone de transition entre la section cylindrique de diamètre plus important 28 et le collet de soudage 32. La section conique présente normalement une conicité de 18 pour constituer un épaulement en vue de l'engagement d'élévateurs pour supporter la tige quand elle est abaissée dans le trou de forage ou quand elle en est retirée. Le joint d'accouplement d'outil 22 est une connexion à raccord mâle comprenant des filetages externes 34, une section conique 36 similaire à la section conique 30 de la boîte, et un collet de soudage 38. Des gorges de soulagement de contrainte 40 et 42 selon l'invention sont prévues dans les collets de soudage de chaque joint d'accouplement d'outil, qui sont adjacentes aux soudures 24 et 26. Dans le Tableau A ci-dessous sont indiquées les dimensions préférées de la gorge dans la tige de forage, comprise entre un diamètre externe (D.E.) compris entre 10,16 et 13,95 cm (4" et 5 1/2"), qui donne un facteur de sécurité d'approximativement 1,6. Le Tableau indique les dimensions de la gorge aussi bien pour les conicités API que pour les extra longues conicités internes aussi bien pour la tige de forage à partie refoulée interne (I.U.; "internal upset")) qu'interne et externe (I.E.U.; internal/external upset"). L'emplacement de chaque dimension indiquée dans le Tableau est montré à la figure 5. TABLEAU A DIMENSIONS D'UNE GORGE DE SOULAGEMENT DE CONTRAINTE POUR UN FACTEUR DE SECURITE D'ENVIRON 1,6 Dimensions de la D.I. D.O. Diamètre Profondeur Epaisseur Aire tige de forage Partie Partie gorge gorge paroi de de 2 refoulee re oulée D g Di (cm) o (cm) g (cm) G (cm) gorge T (cm) gorge (cm) ,16 cm 219g/cm I.U. 6,83 10,48 9,8481 0,3147 1, 5111 39,5748 D.I.= 8,483 6,19 10,48 9,4191 0, 9291 1,6139 39,5748 API 6,67 10,16 9,7388 0,2106 1,5357 39, 5748 11,42 248g/cm I.E.U. 7,62 11,91 10,7904 0,5581 1,5852 45,8425 D.I.= 9,718 cm 7,30 11,83 10,5687 0,6290 1,6332 45,8425 6,99 11,91 10,3518 0,7374 1,6835 45, 8425 11,43 cm 300g/cm I.E.U. 6,99 11,91 11,0274 0,4394 1,7038 57,1876 D.I.= 9,246 cm API 7,14 11,91 11,1287 0,3889 1,9927 57,1876 o 6,35 11,91 10,6365 0,635 2,1433 57, 1876 12,70 cm 292g/cm I.E.U. 8,26 13,02 11,7475 0,635 1,7463 54,8638 D.I,= 10,861 cm API 9,05 13,02 12,3180 0,3498 1,6348 54,8638 12,70 cm 383g/cm I.E.U. 8,26 13,02 12,7183 0,1524 2,2317 73,5225 D.I. = 10,16 cm 13,97cm 328g/cm I.E.U. 8,89 14,65 12,4986 0,9738 1,8044 60, 6205 D.I. 12,136 cm API 9,68 14,13 13,0752 0,5276 1,6957 60,6205 13,97 cm 370g/cm I.E.U. 8,89 14,65 12,9162 Q,6068 2,0132 68,9567 D.I.= 11,862 cm API 9,68 14,13 13,4750 0, 3277 1,8956 68,9567 o IU- partie refoulée interne IEU= partie refoulée interne/externe D.I. - diamètre interne D.E. - diamètre externe l 2714932 Pour recevoir les gorges indiquées dans le Tableau A ci- dessus, les collets de soudage doivent être allongés jusqu'à approximativement 6,35 cm (2 1/2"). Un travail de test initial avec la gorge de la figure 5 o R1 est égal à 3,17 cm (1 1/4") et R3 est égal à 0,63 cm (1/4") a été effectué en utilisant l'appareil montré à la figure 6. Un tour a été utilisé avec un mandrin arrière 50 et un mandrin avant 52. On a sélectionné pour le programme de test une tige de forage I.E.U. S-135 de 12,70 cm (5") et 292 g/cm (19,5 livres/pied) d'une paroi nominale de 9,19 mm (0,362"). Tous les échantillons des tests ont été découpés sur une longueur de 3,05 m (120"). Un essai a été fait pour sélectionner des sections refoulées à longue conicité avec des longueurs Miu équivalentes de manière qu'elles ne constituent pas une variable. Tous les échantillons ont été usinés de façon que l'axe des connexions de la boîte soient concentriques à l'axe des extrémités du tube dans les limites de 0,635mm (0,025 pouce). Une jauge de contrainte 54 a été fixée sur la surface externe de chaque échantillon au même emplacement - soit à 508 mm (20") à partir de l'intersection entre le diamètre externe (D.E.) du joint d'accouplement d'outil et l'épaulement 56 pour élévateur à 18 . Ceci a permis de positionner les jauges de contrainte sur la section de tube de l'échantillon de la tige de forage. A une distance de 2,67 m (105") après le grand diamètre de la partie conique 56, chaque échantillon de test a été courbé sur une distance d qui a été égale à 5,55 cm (2-3/16") pour simuler la courbure d'un trou de 33 /30,5m (100 pieds), qui avait été utilisé dans des tests précédents. Tous les tests de fatigue des échantillons de test ont été effectués avec la même déflexion à proximité de l'extrémité du tube pour simuler le forage dans un trou de même courbure à des fins de comparaison. Les données de la jauge de contrainte montrent qu'avec une même déflexion, la contrainte appliquée aux échantillons comportant des gorges de soulagement dans le collet de soudage était inférieure d'approximativement 7,17 MPa (1,040 psi) aux échantillons discutés ci-dessus qui ne présentaient que la longue partie refoulée conique. On a testé trois spécimens comprenant des gorges de soulagement de contrainte de la figure 5 dans le collet de soudage et concernant leur défaillance sur le même type de machine de test de fatigue à poutre en porte-à-faux rotative. Les résultats de ces tests sont montrés sur le Tableau 1. Le Tableau 2 montre les propriétés mécaniques des spécimens. Les résultats des tests de fatigue montrés au Tableau 1 peuvent être comparés avec des résultatsle de tests de fatigue précédents concernant les parties refoulées API et les parties refoulées à longue conicité du Tableau 3, qui sont également indiquées ci-dessous. TABLEAU 1 - DONNEES DES TESTS DE FATIGUE Longue section refoulée conique combinée à une gorge de soulagement de contrainte dans le collet de soudage Numéro du Longueur de conicité Rayon Cycles jusqu'à test MIU R défaillance mm (Pouces) mm (Pouces) 1 162 (6-3/8) 1,219 (48) 1.051.280 2 152 (6) 1,219 (48) 838.276 3 146 (5-3/4) 965 (38) 690.356 TABLEAU 2 - PROPRIETES MECANIQUES Longue partie refoulée conique combinée à une gorge de soulagement de contrainte dans le collet de soudage Echantillon Tension Elas. min. Allong. Impact D.E. Paroi Nu (psi) (psi) % (pieds-livres) (pouces)(pouces) MPa MPa Joules mm mm 1 (152.949) (142.619) 20,9 (50) (5,003) (0,365) 1.055 983 68 127,1 9,27 2 (148.869) (138.505) 19,6 (49) (5,015)(0,349) 1.026 955 66 127,4 8,86 3 (149.944) (138.858) 20,9 (50) (5,015) (0,371) 1.034 957 68 127,1 9,42 TABLEAU 3 - PRECEDENTES DONNEES DES TESTS DE FATIGUE Numéro du Type de Longueur de partie Rayon Cycles avant test refoulement refoulée Miu R défaillance mm (pouces) mm (pouces) 1 API 64 (2 1/2) 165 (6,5) 235.296 2 API 64 (2 1/2) 229 (9,0) 237.618 3 API 59 (2-5/16) 127 (5,0) 205.884 15.__ 4 Longue partie conique 187 (7-3/8) 1.219 (48) 462.078 Longue partie 197 (7-3/4) 1.168 (46) 569.664 conique 6 Longue partie conique 170 (6-11/16) 1.016 (40) 382.666 On a effectué la moyenne des cycles avant défaillance pour les trois types de spécimens et leur comparaison est indiquée dans le Tableau 4. API: 226. 300 cycles; longue partie conique: 471.500 cycles, et longue partie conique avec gorges de soulagement de contrainte dans collets de soudage: 860.000 cycles. Comme on peut le voir, la durée de vie à la fatigue de la partie refoulée de longue conicité est plus du double de la durée de vie à la fatigue des échantillons API testés, et la durée de vie à la fatigue de la gorge de soulagement de contrainte de collet de soudage combinée à la longue partie refoulée conique est presque le double de la durée de vie à la fatigue de la longue partie refoulée conique et approximativement quatre fois celle des spécimens à partie refoulée API testés. TABLEAU 4 - MOYENNES DES TESTS DE FATIGUE TYPE DE SPECIMEN NOMBRE DE CYCLES JUSQU'A DEFAILLANCE Partie refoulée API 226.300 Partie refoulée à longue conicité 471.500 Longue partie conique avec gorge de soulagement de contrainte sur collet de soudage 860.000 Après que la demande de brevet US associée série No 07/985.832 ait été déposée le 3 décembre 1992, on a effectué une analyse finie d'élément (FEA) sur quatre modèles différents pour déterminer l'efficacité de la partie conique extra longue (Miu) seulement et en combinaison avec la gorge de soulagement de contrainte montrée aux figures 3-5. Le modèle d'analyse No 1 était constitué seulement par une partie conique extra longue. Le Modèle No 2 était constitué par une partie conique extra longue combinée à la gorge de soulagement de contrainte en accord avec la description donnée dans la demande associée Série 07/985.832 (figures 3-5). Le Modèle No 3 comportait une partie conique extra longue sans gorge, mais avec en plus un collet de soudage plus long de 6,35 cm (2 1/2"). Le Modèle No 4 consistait en une partie refoulée API de diamètre interne de 8,18 cm (3-9/16") avec une partie conique d'une longueur de 6,35 cm (2,5") et un rayon de la partie conique interne de 5,08 cm (2") au niveau o elle disparaît. Tout d'abord, on a effectué une FEA sur les modèles sur la base de l'agencement en porte-à-faux avec un déplacement de 5,55 cm (2-3/16") à une distance de 2,67 m (105") du bord du diamètre externe du joint d'accouplement d'outil. Une seconde FEA a été menée sur la base d'une pure flexion avec un moment de flexion de 11200 m parKg (200.000 pouces par livre). Les résultats sont consignés dans le Tableau 6 ci- dessous o les numéros des modèles se réfèrent aux numéros des modèles décrits ci-dessus. TABLEAU 5 - ANALYSE FINIE D'ELEMENT FEA A PORTE-A-FAUX ET FEA A FLEXION PURE POUR JOINTS D'ACCOUPLEMENT D'OUTILS A RACCORD MALE EMPLACEMENT A PARTIR DE Numéro du Contrainte L'ESPACE DE Modèle max. en KPa LANGUETTE EN cm EMPLACEMENT FEA en 1 288, 979 37,85 D.E. à la fin porte-à-faux 2 389,001 6,86 D.E. de gorge 286,067 44,30 D.E. à la fin 3 289,897 44,27 D.E. à la fin 4 294,623 24,41 D.E. à la fin 316,717 21,26 D.I. à la fin FEA 1 242,770 38, 84 D.E. à la fin flexion 2 282,024 6,86 D.E. de gorge pure 242,770 44,96 D.E. à la fin 3 242,770 45,21 D.E. à la fin 4 245,716 24,64 D.E. à la fin 260,944 21,26 D.I. à la fin L'analyse finale d'élément a été limitée aux joints d'accouplement d'outils à raccords mâles car c'est là qu'apparaissent généralement les défaillances de la tige de forage. Les résultats indiquent que la contrainte maximale apparaissait dans la gorge Modèle 2, qui est la combinaison de la partie conique extra longue et de la gorge de soulagement de contrainte de la demande associée. La contrainte a été de 392 MPa (56.877 psi) pour la FEA en porte-à-faux et de 281 MPa (40.873 psi) pour la FEA à flexion pure. Une forte contrainte au niveau de la gorge 2 Modèle ne constitue pas un problème sérieux et en général n'a pas d'effet sur la durée de vie à la fatigue de la tige de forage du fait que la section de paroi extra épaisse au niveau du collet de soudage du joint d'accouplement d'outil à l'endroit o la gorge est située. De plus, la section située au-dessous de la gorge est beaucoup plus capable de résister à des contraintes supérieures en raison de la finition de surface lisse qui est donnée à la gorge. Ceci réduit l'effet de corrosion sur la surface de la gorge. Cette finition de surface lisse n'est pas présente au niveau de la partie finale qui est simplement celle de la finition de surface de la tige en usine. Même si la contrainte FEA apparaît notablement plus élevée au cours des tests effectifs de fatigue, la tige est défaillante au niveau de la partie finale qui, pour les raisons données plus haut, est l'endroit o la défaillance est attendue même si une contrainte plus élevée est appliquée à la gorge. En outre, un joint individuel de la tige de forage dans un train de tige fonctionnant dans un trou de forage n'est jamais infléchie à la manière d'une poutre en porte- à-faux, et la contrainte produite par une FEA basée sur la contrainte produite dans une poutre en porte-à-faux ne fournit pas une indication véritable sur les contraintes produites au cours d'opérations de forage effectives. Cependant, pour réduire la contrainte au niveau de la gorge, celle-ci a été modifiée comme montré aux figures 7-9 de manière qu'un côté de la gorge de soulagement de contrainte soit constituée par le prolongement du rayon de la section conique du joint d'accouplement d'outil dans le collet de soudage. Par exemple, la figure 7 montre une boîte 70 d'un joint d'accouplement d'outil comprenant un collet de soudage 72 qui lui est relié d'un seul tenant. La transition entre le collet de soudage de plus petit diamètre et la boite 70 est réalisée au moyen d'une section conique 74. L'angle de conicité est de 18 , ce qui est nécessaire car ceci représente la conicité des élévateurs qui viennent en engagement avec la section conique et qui supportent la tige. Le collet de soudage est soudé à une section refoulée interne/externe 76 d'un tube de tige de forage (non montré) par la soudure 78. 17 2714 Selon le mode de réalisation préféré de l'invention, la gorge 80 est formée par une section arquée 82 qui est le prolongement de la partie conique 74 et qui s'incurve pour se raccorder au plan de la section cylindrique 84. Sur l'autre côté de la gorge, la section arquée 86 s'incurve vers l'extérieur à partir de la section cylindrique 84 jusqu'au diamètre externe du collet de soudage 72. La gorge s'étend jusqu'à environ 2,54 cm (1") de l'extrémité du collet de soudage. Ceci écarte suffisamment la gorge de la zone affectée par la chaleur qui est adjacente à la soudure, de manière à ne pas être incluse dans la zone d'effet de la chaleur. Le rayon de courbure des sections arquées de chaque côté de la section cylindrique 84 est de préférence d'environ 6,35 cm (2 1/2"). La gorge 90 constituée dans le collet de soudage 92 du raccord mâle du joint d'accouplement d'outil 94 est montré à la figure 8. La section arquée 96 est un prolongement de la partie conique 98 qui constitue la partie conique de la surface externe de la section reliant le raccord mâle 94 au collet de soudage. La conicité du raccord mâle est généralement de 35 . La section arquée 96 se fusionne à la section cylindrique 99, son autre extrémité étant reliée à la section arquée 100 qui forme l'autre portion d'extrémité arquée de la gorge de soulagement de contrainte 90. Dans ce cas également, les rayons R1 des sections arquées sont de préférence d'environ 6,35 cm (2 1/2") pour une tige de forage d'un diamètre externe de 12,70 cm (5"). La gorge est également située de manière qu'elle se termine au moins à environ 2,54 cm (1") de l'extrémité du collet de soudage de manière à maintenir la gorge éloignée de la zone affectée par la chaleur. Les gorges des figures 7 et 8 sont conçues pour réduire le module de section sur une portion assez longue du collet de soudage pour augmenter sa flexibilité et ainsi réduire la contrainte créée au niveau de la partie finale de l'extrémité conique interne sur la surface interne de la portion de tube de la tige de forage, sans réduire indûment la résistance du collet de soudage. La gorge de cette invention est le Modèle No 5 et est appelée "Gorge Modifiée" dans le Tableau 6 qui suit: TABLEAU 6 RESUME DES SOLUTIONS POUR TIGES DE FORAGE DEPLACEMENT DE 5,56 à 267 cmDU BORD D'UNE PARTIE REFOULEE D'UN DIAMETRE DE 16,51 cm Déplacement de 5,56 à 267cm du bord de l'espace à languette _____ ( ontrainte Emplacement de Déplacement FoEpaisseur paroi HC/I à, Facteur de con finale CONNECTEUR Contraint de la contrain- à l'extrémit F l'emplacement de la con-centration de CONN,mECTlaEUR 5,56 cm Modèlmaximale te à partir de Empace-du tube a2667ie Ccntrine5,56 cme N (MPa) l'e pace t)lan ment e?cuce) (g) D.E D.1. (MPa) uette ( cm) (k XLT aeulement 1 288,98 17,85 D.E. 6,043 1207,5 288,41 246,65 1.00195 265,72 __ XLT et faible contrainte avec gorge2 389,00 6,86 GORGE D.E. 6,045 1229,42 333,42 285,14 1.16671 357,57 u diamètre MIN. 11,748 cm 286,07 44,30 D.E. 285,37 244,05 1.00242 262,95 XLT et faible contrainte sana gorge3 290,00 44,28 D.E. 6,048 1245,88 289,25 247,36 1.00225 266,37 Partie refoulia API de 9-249 cm, 1o nueur de concit.6 294,6 24,41 D.E. 6,035 1147,25 290,13 248,12 1.01548 271,23 rAvnn de cdnn{citm 4 316,72 21,26 D.I.. 293,90 251,34 1. 07765 291,57 XLT et faible contrainte HNavec5 310,15 4,75 GORGE D.E. 6,043 1213,28 331,74 283,70 0.93492 285,19 gr MOD. diamtre MIN.1..826cm 5 384,31 44,22 D.E. 281,73 240,94 1.00205 259,59 boitXL? et faible contrainte avec gorge5 303,46 7,80 GORGE D.E. 5,799 1217,15 319,23 273 0.95059 290,76 POD. diam&tre MIN 11,826 cm 279,79 46,91 D.E. 269,53 230,51 1.03805 268,08 FLEXION PURE 230,4 kg. cmmoment de flexion Contrainte CONNECTEUR ModèleContraint Emplacement de Déplacement Force our 3 de- ntaneCONCtERait pour 3 de- lacNtrit l'extrémité FCC g rig par N maximale partir de Emplacement 3 m (HPa) Emplaâemeà tlu tub(en,3 m l'espace h Iatb>e languette (cm pouces (kg) (KPa) - ____ _________ -______ _______:::-P-) ..:=: (cm) XL? aeulement I 242,77 38,84 D.E. 6,868 2.872 1.004 269,37 XL? et faible contrainte avec gorge2 282,02 6,86 Gorge D.E. 6,78 2.850 1.166 317,10 diamètre MIN. 11,748 cm 242,77 45,19 D.E. 1. 004 272,97 XLT et faible contrainte sans gorge3 242,77 45,21 D.E. 6,721 2.838 1.004 275,29 kParriarefua1teAP1dea24Qcm, 4,2 2,4DE,0 g 5,5cailonus[a lulRi d4mcm, d 4nc72 24,74.E. 7,109 2.925 1.016 263,37 u 4 u 5,08 cm ravons de conicité_ 260,94 21,26 D.I. __ 1.079 279,70 Pl XLT et faible contrainte avec gorge 222,25 4,75 Gorge D.E. 6, 83 2.862 0.932 251,17 MOD diamètre MIN. 11,826 cm 5 242,77:45,26 D.E. 1.004 270,70 boit XLT et faible contrainte avec gorge222,48 7,62 Gorge D.E. 6, 431 2.773 0.920 263,60 HOD, diamètre MIN. 11,826 cm 242, 77 47,88 D.E. 1.004 287,64 CONTiAIlTE HC/I dana tube à 230,4 kg.cm - 241,78 MPa On peut voir que la forme modifiée a produit une réduction considérable de la contrainte. La contrainte de la gorge modifiée est tombée à 78 MPa (11.428 psi) pour des raccords mâles et à 85 MPa (12.398 psi) pour des boîtes présentant le porte-à-faux FEA. En flexion pure, la contrainte est tombée à 57 MPa (8.228 psi) pour les raccords mâles et à 57..DTD: MPa (8.630 psi) pour les boîtes. Dans la FEA à porte-à- faux, les contraintes dans la partie finale sont tombées à 6,66 MPa (966 psi) dans les raccords mâles et à 9,19 MPa (1.332 psi) dans les boîtes, comparées à la longue partie refoulée XLT. Ces réductions de la contrainte devraient allonger considérablement la durée de vie à la fatigue de la tige de forage. Le Tableau 7 qui suit montre les dimensions préférées de la gorge de soulagement de contrainte modifiée de l'invention. TABLEAU 7 Faible contrainte Prideco Dimension de la tige de diamètre Epaisseur forage, poids, type de partie Partie Partie au fond Profondeu de paroi refoulée et diamètre interne refoulée refoulée de la gorge de la sous la D.I.(cm) D.E.(cm) (cm) gorge(cm) gorge(cm) ,16 cm, 210g/cm 6,19 10,64 9,4907 0,5728 1,6497 IU, D.I. = 8,483 cm 6,51 10,64 9, 7008 0,4679 1,5959 ,16 cm, 235g/cm IU, D.I. = 8,230 6,19 10,64 9,8540 0, 3912 1,8313 11,43 cm, 248g/cm 7,62 11,91 10,8628 0, 5217 1,6215 IEU, D.I.= 9,718 cm 7,94 11,91 10,0879 0,4064 1,5750 11,43 cm, 300g/cm 6,35 11,91 10,7280 0,5893 2,1890 IEU, D.I. = 9,246 cm 6,99 11,91 11,1158 0,3952 2,0655 12,70 cm, 292,5g/cm 8,26 13,02 11,8270 0,5954 1, 7861 IEU, D.I. = 10,861 cm 8,89 13,02 12,2786 0,3696 1,6944 12,70 cm, 383g/cm IEU, I.D. = 10,16 cm - - N/Ai 13,97 cm, 328g/cm 9,53 14,65 13,0380 0,7043 1,7564 IEU, D.I.= 12, 136 cm 10,16 14,65 13,5087 0,4689 1, 6744 13,97 cm, 370g/cm IEU,D.I. = 14,40 cm 9,53 14, 65 13,4493 0,4986 1,9622 16,83 cm, 377g./cm 13,02 20,04 16,0680 0,7170 1,524 IEU, D.I. = 15, 151 cm 13,34 20,04 16,3269 0,5878 1,4958 13,49 20,04 16,4566 0,5228 1,4816 13,65 20,04 16,5872 0,4575 1,4674 16,83 cm, 414 g./cm 13,02 20,04 16,3145 0, 5918 1,651 IEU, D.I. = 14,989 cm! 13,34 20,04 16,5727 0,4646 I 1,6190 , I I,. o: IU = partie refoulée interne IEU = partie refoulée interne/externe D. I. = diamètre interne D.E. = diamètre externe Comme il ressort clairement du Tableau 6, la contrainte dans le raccord mâle est supérieure à la contrainte dans la boîte, le raccord mâle 110 de la figure 9 est muni d'une conicité 114 de 18 au lieu de 35' pour essayer de réduire la contrainte dans les raccords mâles de joints d'accouplement d'outils. Comme la section à paroi épaisse d'un raccord mâle est plus courte que la section de paroi épaisse d'une boîte, la gorge de soulagement de contrainte 116 ne comprend pas de section centrale cylindrique. Par contre, la section incurvée 116 qui est dans le prolongement du rayon de courbure entre la section conique 114 et le collet de soudage 118, forme une extrémité de la gorge et la section courbe 117 qui est dans le prolongement de la section courbe 116 forme l'autre extrémité de la gorge, de préférence R2 est d'environ 6,35 cm (2-1/2"). Un autre avantage du raccord mâle de la figure 9 est qu'il peut être utilisé en tant que "filetage mâle en haut". Actuellement, les tiges de forage sont utilisées de cette manière dans certaines circonstances Voir le brevet US No 4 760 889 au nom de Dudman. On peut voir par ce qui précède que l'invention est bien adaptée pour atteindre tous les buts et objets indiqués plus haut, ainsi que d'autres avantages qui sont inhérents au dispositif et à sa structure. On comprendra que certaines caractéristiques et sous- combinaisons sont utiles et puissent être utilisées sans référence à d'autres caractéristiques et sous-combinaisons. Ceci est considéré comme étant compris dans le champ d'application des revendications. Comme de nombreux modes de réalisation possibles de l'invention peuvent être réalisés sans s'écarter de son champ d'application, on comprendra également que tout ce qui est indiqué plus haut ou montré sur les dessins annexés doit être interprété dans un sens illustratif et non limitatif. 23 2714932 REVENDICATIONS 1. Joint pour tige de forage comprenant une section de tube (14) à extrémités refoulées pour augmenter l'épaisseur de paroi du tube à ses extrémités, et des joints d'accouplement (20, 22) d'outils reliés à chaque extrémité du tube, chaque joint d'accouplement (20, 22) d'outil comprenant une section cylindrique (28) reliée à un collet de soudage (32, 38, 72) de plus petit diamètre par une section conique (30, 36, 74), la connexion entre la section conique et le collet de soudage (32, 38, 72) présentant un rayon de courbure, ledit collet de soudage présentant une épaisseur de paroi égale à celle de l'extrémité refoulée du tube qui est soudée au collet de soudage, caractérisé en ce qu'il comprend une gorge (40, 42, 80, 90) de soulagement de contrainte externe dans le collet de soudage pour augmenter la durée de vie à la fatigue de la section de tube de la tige de forage quand cette tige de forage est soumise à des contraintes variées produites par la rotation de la tige de forage à l'état ployé, une extrémité (82) de la gorge de soulagement étant arquée et formant un prolongement du rayon de courbure entre la section conique (30, 36, 74) et le collet de soudage (32, 38, 72). 2. Joint pour tige de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aire en section du collet de soudage (32, 38, 72) du joint d'accouplement (20, 22) d'outil est supérieure, sous la portion cylindrique (18, 84, 98) de la gorge (40, 42, 80, 90), à l'aire en section de la section de tube de la tige. 3. Joint pour tige de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aire en section sous la gorge (40, 42, 80, 90) est d'environ 1,6 fois l'aire en section du tube. 4. Joint pour tige de forage selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'autre extrémité (86) de la gorge (80, 90) de soulagement de contrainte est arquée et la section entre les extrémités arquées est cylindrique. 24 2714932 5. Joint pour tige de forage selon la revendication 4, caractérisé en ce que les sections arquées à chaque extrémité de la section cylindrique présentent des rayons d'environ 6,35 cm (2 1/2"). 6. Joint pour tige de forage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le joint d'accouplement d'outil est constitué par une boite (70) et la conicité entre le joint d'accouplement d'outil et le collet de soudage est de 18'. 7. Joint pour tige de forage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le joint d'accouplement d'outil est un raccord mâle et la conicité entre le joint d'accouplement d'outil et le collet de soudage est de 35 . 8. Joint pour tige de forage selon la revendication 5, caractérisée en ce que le joint d'accouplement d'outil est constitué par un raccord mâle et la conicité entre le joint d'accouplement d'outil et le raccord mâle est de 18 . 9. Joint d'accouplement d'outil pour tige de forage comprenant une section cylindrique et une section à collet de soudage de plus petit diamètre qui est reliée à la section cylindrique par une section conique, ledit collet de soudage présentant une épaisseur de paroi égale à celle de l'extrémité du tube à laquelle est soudé le joint d'accouplement d'outil, caractérisé en ce qu'il comprend une gorge de soulagement de contrainte externe dans le collet de soudage entre la soudure et le joint d'accouplement d'outil pour augmenter la durée de vie à la fatigue de la section de tube de la tige de forage quand la tige de forage à laquelle le joint d'accouplement d'outil est relié est soumise à diverses contraintes produites par la rotation de la tige de forage à l'état ployé, ladite gorge présentant une section centrale cylindrique et des sections d'extrémité arquées. 10. Joint d'accouplement d'outil selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'aire en section du collet de soudage du joint d'accouplement d'outil sous la gorge est 2714932 supérieure à l'aire en section de la section non refoulée du tube à laquelle il est soudé. 11. Joint d'accouplement d'outil pour tige de forage selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'aire en section sous la gorge est d'environ 1,6 fois l'aire en section du tube auquel il est soudé. 12. Joint d'accouplement d'outil pour tige de forage selon la revendication 9, 10 ou 11, caractérisé en ce que la section d'extrémité arquée adjacente à la section conique du joint d'accouplement d'outil est un prolongement arqué (96) de la section conique. 13. Joint d'accouplement d'outil pour tige de forage, selon la revendication 9, caractérisé en ce que les extrémités arquées présentent un rayon de courbure d'environ 6,35 cm (2,5 pouces).