Brevet FR2718487A1 — publié le 19951013

La présente invention concerne les protecteurs de tige utilisés pour la protection des trains de tiges dans les opérations de forage. Les protecteurs de tige sont des organes tubulaires de caoutchouc qui entourent une tige dans les opérations de forage de sondages. Le protecteur de tige formé de caoutchouc est au contact du tubage dans lequel le train de tiges est introduit pendant une opération de forage. Pendant le forage d'un puits, les fluides de complètement et la boue de forage peuvent circuler dans l'espace annulaire compris entre le tubage et la surface externe du train de tiges de forage. Cet espace annulaire formé dans le puits contient aussi le protecteur de tige. Des protecteurs de tige ayant une surface externe lisse ou glissante donnent une surface maximale de résistance à l'usure au contact du tubage. Dans une opération de forage, le train de tiges tourne rapidement. Le forage directionnel ou dévié s'effectue en direction inclinée, c'est-à-dire non verticale. Les protecteurs de tige à surface lisse conviennent bien aux applications nécessitant une grande résistance à l'usure, dans le forage directionnel, mais ces protecteurs de tige à surface lisse limitent l'écoulement dans les forages de dimensions réduites. Les protecteurs de tige ayant des canaux formés par des cannelures découpées à la surface externe permettent un écoulement du fluide dans les forages de petites dimensions. Cependant, au cours de la rotation du train de tiges, la configuration cannelée provoque la création de grandes vibrations dans les forages de petites dimensions, surtout au cours d'un forage dévié. On a aussi utilisé des protecteurs de tige ayant des cannelures en spirale. La forme spiralée donne aussi des vibrations importantes lors du forage dévié. Le protecteur de tige de forage perfectionné selon l'invention combine les avantages d'une surface suffisante, pour l'obtention de bonnes caractéristiques d'usure, et de la présence de canaux d'écoulement de fluide, ne nécessitant qu'une faible énergie de rotation et supprimant les vibrations. L'organe tubulaire de caoutchouc a un diamètre interne prédéterminé correspondant au diamètre externe approximatif d'une tige. Une sculpture formée à la surface externe de l'organe tubulaire de caoutchouc est constituée de surfaces en saillie entourées par des canaux de communication. La sculpture est asymétrique bilatéralement lorsqu'on compare la sculpture de la moitié approximative supérieure du protecteur de tige à la sculpture de la moitié approximative inférieure du protecteur de tige. Dans un mode de réalisation, la sculpture a la même configuration géométrique, par exemple en losange. Les losanges n'ont pas la même dimension et la même confi- guration afin qu'ils donnent l'asymétrie bilatérale suivant l'axe médian du protecteur de tige. Une combinaison de formes géométriques et irrégulières peut aussi être utilisée pour la création d'une asymétrie au niveau de la région médiane. Pour que le fluide puisse s'écouler, les canaux forment de préférence environ 40 à 70 % de la sculpture. La surface en saillie de la sculpture forme aussi de préférence à 60 % de la surface externe afin que l'usure soit réduite au minimum pendant le fonctionnement. En outre, les surfaces en saillie peuvent avoir un profil externe arrondi. Le protecteur de tige perfectionné peut être adapté afin qu'il soit utilisé sur des protecteurs de tige connus dans l'industrie. Une réalisation préférée est celle d'un protecteur de tige classique de type fendu qui possède une ouverture sur la longueur de l'organe tubulaire de caoutchouc et qui peut se séparer par ouverture pour faci- liter le montage sur une tige. Un dispositif de fermeture est destiné à fixer l'organe tubulaire autour d'une tige. De nombreux protecteurs de tige de type fendu ont des dents métalliques imbriquées recouvertes de caoutchouc et bloquées avec un organe de fixation à clavette introduit longitu- dinalement dans les dents. Les dents métalliques sont raccordées à un élément métallique cylindrique rapporté placé à l'intérieur de l'organe tubulaire de caoutchouc. L'élément métallique rapporté peut être formé de métal lisse ou ondulé. Le protecteur de tige de type fendu selon l'invention a une sculpture à sa surface externe, comme indiqué dans le présent mémoire. Bien que le mode de réalisation préféré de l'invention corresponde à un protecteur de tige de type fendu, la sculpture asymétrique peut aussi être utilisée avec un protecteur de type monté par étirage qui est installé sur la tige par étirage ou agrandissement temporaire de la périphérie interne du protecteur de manière que celui-ci puisse être glissé sur l'extrémité de la tige. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en élévation latérale d'un protecteur de tige ayant une sculpture à losanges et canaux présentant une asymétrie au niveau de la région médiane, monté sur une tige; la figure 2 est une vue en plan du protecteur de tige à losanges et canaux de la figure 1 lorsqu'il n'est pas monté sur une tige; la figure 3 est une vue en élévation latérale d'un protecteur de tige ayant une réalisation à ovales en saillie avec une asymétrie au niveau de l'axe médian, monté sur une tige; la figure 4 est une vue en plan du protecteur de tige à ovales en saillie de la figure 3 lorsqu'il n'est pas monté sur une tige; et la figure 5 est une vue en élévation latérale d'un protecteur de tige ayant diverses figures géométriques, lorsqu'il est monté sur une tige. Les protecteurs de tige selon l'invention peuvent être formés de polymères utilisés de façon générale pour le forage de sondages et connus des hommes du métier. Un caoutchouc préféré est un copolymère d'acrylonitrile et de butadiène à teneur élevée en acrylonitrile, aussi connu sous le nom de "polymère à base nitrile". La plage de dureté au duromètre de l'organe tubulaire est une dureté Shore A comprise entre environ 50 et 80. La plage préférée de dureté Shore A déterminée au duromètre est d'environ 65 à 70. Le caoutchouc formé du copolymère d'acrylonitrile possède de bonnes propriétés de résistance aux huiles et aux combustibles, de résistance à la traction et à la déchirure, de résistance à l'abrasion, d'imperméabilité aux gaz et de résistance à la chaleur. Le caoutchouc d'un copolymère d'acrylonitrile peut être mélangé à d'autres adjuvants connus de l'homme du métier pour l'augmentation et le renforcement de certaines caractéristiques. Une composition préférée de polymère destinée à un caoutchouc coloré ayant une charge renforçante qui n'est pas formée de carbone est indiquée dans le tableau 1 qui suit. TABLEAU 1 Polymère coloré renforcé sans noir de carbone Composition Parties % de polymère Polymère NBR 100 Oxyde de zinc 4 - 9 Silice 25 - 60 Acide stéarique 1,0 - 1,5 Adjuvants antioxydants 3,5 - 10,0 et antiozone Huiles de traitement 25 - 50 Résine renforçante 5 - 15 et adjuvant de polymérisation Colorant d'oxyde de fer 3 - 8 Agent de polymérisation 2 5,5 de sulfénamide Adjuvant de polymérisation 1,5 - 4,5 de thiurame Une composition polymère préférée comme matière polymère renforcée par du noir de carbone est indiquée dans le tableau 2 qui suit. TABLEAU 2 Polymère renforcé par du noir de carbone Composition Parties % de polymère Polymère NBR 100 Oxyde de zinc 4- 9 Acide stéarique 1,0 - 1,5 Noir de carbone (N774) 30 - 70 Adjuvants antioxydants 3,5 - 10,0 et antiozone Huiles de traitement 25 - 50 Résine renforçante 5 - 15 et adjuvant de polymérisation Agent de polymérisation 2 - 5,5 de sulfénamide Adjuvant de polymérisation 1,5 - 4,5 de thiurame La sculpture formée sur le protecteur de tige est créée par des canaux du caoutchouc, à la surface externe. Les canaux entourent une figure géométrique ou irrégulière qui est en saillie par rapport au canal. Le canal peut être formé de toute manière dans la mesure o le fluide peut s'écouler. Le canal peut être formé par une découpe lisse en U en demi-cercle, une découpe en V ou une découpe rectangulaire. Cette liste n'est nullement destinée à exclure une forme quelconque de canal qui permet un écoulement du fluide. Les canaux formés sur un protecteur de tige peuvent être constitués d'une combinaison de diverses découpes. Les canaux rejoignent l'épaulement d'un protecteur de tige de type fendu afin que le fluide puisse s'écouler le long du protecteur de tige. Les épaulements sont inclinés vers la périphérie interne de l'organe tubulaire. Les canaux peuvent former de 40 à 70 % environ de la surface externe du protecteur de tige. La sculpture créée par les canaux a une asymétrie bilatérale ou dans la région médiane de manière que la sculpture de la moitié approximativement supérieure du protecteur de tube soit asymétrique par rapport à la moitié inférieure approximative. La même configuration géométrique ou irrégulière peut être utilisée, ou diverses configu- rations peuvent être mélangées. Des configurations géomé- triques qui peuvent être formées par les canaux sont des losanges, des ellipses, des cercles, des ovales, des rec- tangles, des hémisphères, des parallélogrammes, des tra- pèzes, des triangles, des polygones et des figures à côtés irréguliers. Cette liste n'est nullement destinée à exclure une configuration ou forme particulière, mais elle illustre les nombreuses figures qui peuvent être utilisées. La surface des figures en saillie peut être plate ou arrondie. La figure 1 représente un mode de réalisation préféré de protecteur de tige selon l'invention. L'organe tubulaire de caoutchouc est représenté monté sur la tige 12. Des canaux, dont l'un est désigné par la référence 14, sont découpés ou moulés à la surface externe de l'organe tubulaire 10. Les canaux rejoignent des épaulements 16 et 18 de part et d'autre de l'organe tubulaire 10 afin que le fluide puisse s'écouler. Les canaux créent des surfaces en saillie et, sur la figure 1, ils sont représentés sous forme de losanges dont l'un porte la référence numérique 20. La ligne A-A' correspond approximativement à l'axe médian de l'organe tubulaire 10 et elle a été indiquée pour montrer l'asymétrie bilatérale qui apparaît lorsqu'on compare la moitié supérieure approximative et la moitié inférieure approximative du protecteur de tige. La figure 2 est une vue en plan du protecteur de tige de la figure 1 lorsqu'il n'est pas monté sur une tige. Les canaux qui rejoignent l'épaulement 16 sont présentés avec une découpe en U ou en demi- cercle. L'un des canaux est désigné par la référence 22. La vue en plan représente un exemple de protecteur de tige de type fendu tel que décrit dans le présent mémoire, ayant une ouverture 24 et une clavette 26 utilisée pour la fermeture du protecteur autour de la tige. La figure 3 est une vue en élévation latérale d'un autre mode de réalisation illustrant l'utilisation d'un profil arrondi pour les surfaces en saillie, avec une sculpture asymétrique ayant des ovales. Le protecteur de tige, désigné de façon générale par la référence 30, est monté sur la tige 32. Une série d'ovales en saillie, dont l'un porte la référence 34, est placée de manière que la moitié supérieure et la moitié inférieure approximatives du protecteur de tige présentent l'asymétrie bilatérale. Des canaux sont formés autour des ovales arrondis en saillie de la sculpture comme indiqué par la référence 36 afin que le fluide puisse s'écouler comme décrit dans le présent mémoire. Les canaux rejoignent les épaulements 38 et 40. La figure 4 est une vue en plan du protecteur de tige de la figure 3 lorsqu'il n'est pas monté sur une tige. La vue en plan indique un exemple de protecteur de tige de type fendu ayant une ouverture 42 et une clavette 44 utilisées pour la fermeture du protecteur autour de la tige. La série d'ovales arrondis décalés en saillie est représentée avec la ligne supérieure, désignée par la référence 46, sous forme tronquée et raccordée à l'épaulement 38. Une ligne d'ovales décalés désignée par la référence 48 apparaît sur la figure. La figure 5 est une vue en élévation latérale d'un autre mode de réalisation de protecteur de tige selon l'invention ayant divers dessins, une fois monté sur une tige 50. L'organe tubulaire 52 a diverses configurations telles que des hexagones, des demi-cercles, des cercles, des losanges, des rectangles et des formes tronquées, constituant une sculpture ayant une asymétrie bilatérale, à la surface externe. Les différentes figures géométriques sont en saillie et les canaux peuvent être formés par les espaces irréguliers compris entre les figures. Le protecteur de tige selon l'invention présente une faible énergie vibratoire dans les conditions de forage. Le protecteur de tige à sculpture en losanges de dessin analogue à celui qui est représenté sur les figures 1 et 2, a été testé et comparé à des protecteurs de tige à surface lisse et cannelée. Les protecteurs de tige ont été testés sous l'action des charges réelles rencontrées lors d'une utilisation. La hauteur des protecteurs de tige est de 10 cm d'un épaulement à l'autre avec une hauteur totale de 15 cm. Les protecteurs de tige ont été testés avec une charge latérale de 45 à 90 kN/m et une vitesse de rotation de 158 tr/min. La mesure d'énergie vibratoire a été obtenue par mesure de l'amplitude de l'onde fondamentale et addition à l'amplitude des premier, second, troisième et quatrième harmoniques. Cette somme est transformée en énergie propor- tionnelle à la mesure d'amplitude. Le nombre résultant pour l'énergie vibratoire est utilisé pour la comparaison des protecteurs de tige soumis aux essais. Le tableau 3 qui suit résume les essais d'énergie vibratoire dans le cas d'un protecteur de tube lisse ou cannelé, à dessin asymétrique en losanges. TABLEAU 3 Energie vibratoire Sculpture de protecteur de tige Charge Losange Lisse Cannelée (kN/m) 45 77,35 99,53 241,83 67,22 100,34 265,45 Dans un essai de comparaison de protecteur de tige ayant une sculpture asymétrique en losange au protecteur classique à surface lisse et cannelée, la valeur de la sculpture asymétrique en losange a été considérée comme étant égale à 1 et les autres valeurs ont été déterminées en proportion. Le tableau 4 qui suit indique l'énergie vibratoire réduite du protecteur de tige selon l'invention. TABLEAU 4 Rapport d'énergie vibratoire Sculpture de protecteur de tige Charge Losange Lisse Cannelée (kN/m) 1 1,28 3,12 90 1 1,49 3,94 Les exemples ne sont nullement destinés à limiter la portée de l'invention. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux protecteurs de tige qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Protecteur de tige, caractérisé en ce qu'il comprend un organe tubulaire (10) de caoutchouc ayant un diamètre interne prédéterminé correspondant au diamètre externe approximatif d'une tige (12), une sculpture étant formée à la surface externe de l'organe tubulaire (10) par les surfaces en saillie (20) entourées par des canaux de communication (14), la sculpture ayant une asymétrie bilatérale, lors de la comparaison de la sculpture de la moitié approximativement supérieure du protecteur de tige à la sculpture de la moitié approximativement inférieure. 2. Protecteur de tige selon la revendication 1, caractérisé en ce que les canaux de communication (14) forment environ 40 à 70 % de la surface externe de la sculpture du protecteur de tige. 3. Protecteur de tige selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la sculpture a un dessin géométrique formé avec une figure géométrique ou une combinaison de figures géométriques différentes. 4. Protecteur de tige selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la sculpture est formée d'une combinaison de figures géométriques et de figures irrégulières. 5. Protecteur de tige selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les surfaces en saillie (20) ont une étendue suffisante pour que l'usure soit réduite au cours du fonctionnement. 6. Protecteur de tige selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les surfaces en saillie (34) ont un profil externe arrondi. 7. Protecteur de tige selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les surfaces en saillie (20, 34) forment environ 30 à 60 % de la surface externe de la sculpture de l'organe tubulaire (10). 8. Protecteur de tige selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les surfaces en saillie comportent des losanges (34) qui ont de préférence une forme irrégulière. 9. Protecteur de tige selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte, à chaque extrémité de l'organe tubulaire (10), des épaulements (18, 19) inclinés vers la périphérie interne de l'organe tubulaire (10), et les canaux (14) rejoignent les épaulements (16, 18). 10. Protecteur de tige selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe tubulaire (10) est sous forme d'un protecteur qui est installé par étirage. 11. Protecteur de tige selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par une ouverture (24) placée sur la longueur de l'organe tubulaire (10) et permettant une séparation de celui-ci au niveau de l'ouverture (24) et facilitant ainsi l'installation sur une tige (12), et un organe (26) de fermeture destiné à fixer l'organe tubulaire (10) autour de la tige (12).