Brevet FR2942498A1 — publié le 20100827

TIGES POUR CAROTTIERS A CABLE L'invention concerne un assemblage de tiges ou train de tiges pour carottiers à câble, une tige constitutive d'un tel assemblage de tiges, ainsi qu'un procédé de fabrication d'une telle tige. L'invention concerne plus particulièrement un assemblage de tiges pour carottiers à câble destiné au carottage de minerais, hors du domaine du pétrole et du gaz, ledit assemblage comportant des tiges assemblées les unes aux autres, chaque tige comprenant un tube muni, à une première extrémité, d'un embout de raccordement mâle et, à une seconde extrémité, d'un embout de raccordement femelle, lesdits embouts étant munis de filetages pour l'assemblage des tiges. Dans l'industrie d'exploration des minerais, on récupère classiquement des carottes de minerais au moyen de carottiers et, notamment, de carottiers à câble. Un équipement complet de carottage comprend, d'une part, un assemblage de tiges, ou train de tiges, et, d'autre part, un carottier comportant une tête de carottier. Le train de tiges forme un tubage comportant des tiges assemblées les unes aux autres par vissage. La tête de carottier est un instrument connu de l'art antérieur, qui permet la récupération des carottes de minerais en profondeur, puis la remontée desdites carottes, à la surface, dans l'intérieur du tubage formant le train de tiges. Les tiges pour carottiers à câble sont soumises à des contraintes importantes, en particulier lorsque les carottages ont lieu à des grandes profondeurs, supérieures à 1500 m, par exemple à une profondeur de l'ordre de 3000 m. Des contraintes sont tout d'abord appliquées lors de l'assemblage des tiges dans le trou de forage. En effet, pour la réalisation d'un tel assemblage, les tiges sont vissées les unes après les autres, dans le trou de forage. Les forces appliquées sont alors essentiellement de deux types. Il s'agit en premier lieu de contraintes liées aux couples de forces appliqués pour le vissage des tiges. Il s'agit, en second lieu, de contraintes liées aux forces de traction imposées au train de tiges, qui supporte son propre poids. Des contraintes sont ensuite appliquées aux tiges après montage. Il s'agit alors essentiellement de contraintes dues aux couples de forces appliqués aux tiges lors des carottages. Il s'agit ensuite éventuellement de contraintes appliquées lorsque les trous de forage sont déviés par rapport à la verticale, ou lorsque des minerais des couches traversées par les tiges sont entraînés sur celle-ci. Les contraintes précitées, qui sont imposées aux tiges, sont susceptibles d'occasionner des dommages à celles-ci. Dans certains cas, les tiges se désassemblent, notamment au niveau des raccords qui se désaccouplent. On dit que les assemblages de tiges s'ouvrent. Dans d'autres cas, le train de tiges se rompt, la rupture ayant lieu en général à l'endroit de la base du filetage des embouts de raccordement mâles des tiges, en pratique à 5-6 mm de la base dudit filetage. Certaines tiges de l'art antérieur sont monoblocs. L'utilisation de telles tiges manque de souplesse. Il est difficile de corriger leurs défauts de résistance aux contraintes mécaniques qui leur sont imposées, notamment à grande profondeur. D'autres tiges de l'art antérieur présentent des embouts de raccordement rapportés. Pour améliorer la résistance de ces dernières aux contraintes mécaniques qui leur sont imposées, on a cherché à augmenter la résistance mécanique des embouts de raccordement des tiges. A cet effet, on a dû augmenter l'épaisseur des parois desdits embouts. Toutefois, le diamètre intérieur de ces embouts a été considérablement réduit, et il n'était plus possible d'utiliser, pour des tiges de diamètres normalisés B, N et H, des têtes de carottiers standardisées. Par exemple, pour une tige de type N, dont le diamètre extérieur est de 69,85 mm, le diamètre intérieur des embouts est, dans les tiges selon l'art antérieur, de l'ordre de 55 mm. Ce dernier diamètre est bien trop petit pour permettre le passage d'une tête de carottier standard N dont le diamètre maximal est de 58,15 mm. Aussi, dans ces tiges selon l'art antérieur, on a utilisé des têtes de carottiers spécifiques, de diamètre plus faible, inférieur à 55 mm, qui ne sont pas répandues sur le marché de l'exploration minière. En conséquence de l'utilisation de telles têtes de carottiers spécifiques, le diamètre des carottes obtenues avec de tels carottiers spécifiques est plus petit. Compte tenu de ce qui précède, un problème que se propose de résoudre l'invention est de réaliser des assemblages de tiges pour carottiers à câble, qui présentent une résistance adéquate aux contraintes qui leur sont imposés au cours de l'exploration notamment à grande profondeur, et qui permettent l'utilisation de têtes de carottiers à cable standards. La solution proposée de l'invention à ce problème pc>sé a pour premier objet un assemblage de tiges pour carottiers à câble comportant une pluralité de tiges assemblées les unes aux autres, chaque tige comprenant un tube muni, à une première extrémité, d'un embout de raccordement mâle et, à une seconde extrémité, d'un embout de raccordement femelle, lesdits embouts étant munis de filetages pour l'assemblage des tiges, caractérisée en ce que les embouts de raccordement sont des embouts rapportés formés d'un alliage métallique et présentent une résistance mécanique Rm comprise entre 1500 MPa (N/mm2) et 1800 MPa (N/mrn2) . Si les embouts sont rapportés et la résistance 35 mécanique Rm de l'alliage métallique utilisé pour la fabrication des embouts est spécifiquement incluse dans la gamme de valeurs allant de 1500 MPa à 1800 MPa, alors le train de tiges présente une résistance adéquate aux contraintes imposées lors des explorations à grandes profondeurs. Il est suffisamment résistant pour ne pas présenter de désaccouplement au niveau des embouts et suffisamment peu résistant pour autoriser une déformation relative sans rupture en particulier au niveau de la base des filetages desdits embouts, et ce, tout en permettant l'utilisation de têtes de carottiers standards, dans des tiges elles-mêmes de type standard, c'est-à-dire sans nécessiter une réduction substantielle du diamètre intérieur des tiges au niveau des embouts, comme cela est le cas dans l'art antérieur. En outre, l'invention a pour second objet une tige pour la fabrication d'un assemblage de tiges pour carottier à câble tel que ci-dessus. Enfin, elle a pour troisième objet un procédé de fabrication d'une tige pour carottier à câble telle que ci-avant, caractérisé en ce qu'il comporte une étape suivante de rapport des embouts de raccordement mâle et femelle aux première et seconde extrémités du tube, respectivement, par soudage par friction. De manière avantageuse, - les embouts présentent une résistance mécanique Rm comprise entre 1600 MPa et 1700 MPa ; - le filetage des embouts mâle et femelle est un filetage sensiblement trapézoïdal, à angle inverse ; - les embouts de raccordement rapportés sont en acier 42CD4 (42CRMO4) traité thermiquement, après usinage ; - les embouts sont rapportés aux tubes par soudage par friction ; - les tiges ont une longueur utile supérieure à 5 m et les carottages sont pratiqués à des profondeurs supérieures à 1500 m ; - les tiges sont normalisées de type B, N ou H, et présentent une résistance mécanique Rm à la traction sensiblement inférieure à celle des embouts ; et - le diamètre intérieur des embouts de raccordement est légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube et le diamètre extérieur des embouts de raccordement est légèrement supérieur au diamètre extérieur du tube. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description non limitative qui suit, rédigée au regard des dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 montre, en coupe, selon la ligne de plan de coupe A-A, une tige pour carottier à câble selon 10 l'invention ; la figure 2A détaille le filetage B de l'embout mâle de la tige de la figure 1 ; et la figure 2B détaille le filetage C de l'embout femelle de la tige de la figure 1.. 15 L'invention concerne, en particulier, le domaine de l'exploration minière du sous-sol, à des grandes profondeurs, supérieures à 1500 m, pratiquement de l'ordre de 3000 m, pour lesquelles les contraintes mécaniques imposées aux moyens d'exploration sont 20 importantes. L'exploration peut être effectuée dans des trous de forage verticaux ou déviés. L'invention a trait à un assemblage de tiges, ou train de tiges, pour carottiers à câble, les tiges étant déclinées en différents diamètres standardisés dénommés 25 B, N et H. Le diamètre extérieur d'une tige de type B est sensiblement de l'ordre de 55,5 mm, le diamètre extérieur d'une tige de type N est sensiblement de l'ordre de 69,9 mm et le diamètre extérieur d'une tige de type H est sensiblement de l'ordre de 88,9 mm. 30 Les trains de tiges selon l'invention comportent une pluralité de tiges, par exemple 500 tiges, dans le cas d'un forage à une profondeur de 3000 m. Une tige 1 selon l'invention est montrée à la figure 1. Il s'agit d'une tige de type N. Cette tige 1 de type N est sensiblement 35 cylindrique de révolution. Sa longueur utile est supérieure à 5 m, par exemple égale à 6 m, approximativement. Le diamètre extérieur de chaque tige est de l'ordre de 70,9 mm. Le diamètre intérieur de chaque tige est, quant à lui, sensiblement de l'ordre de 60 mm, ce qui autorise le passage, dans le train de tiges, de têtes de carottiers standardisées, prévues pour les tiges de type N, dont le diamètre extérieur maximal est de l'ordre de 58 mm. Ainsi que cela est montré à la figure 1 précitée, chaque tige comprend un tube 2. Les tubes 2 sont des tubes cylindriques de révolution standards. Il s'agit par exemple de tubes d'acier sans soudure fabriqués par étirage à froid, de résistance mécanique Rm comprise entre 880 et 1080 MPa. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, qui concerne un assemblage de tiges de type N dont les tiges ont une longueur utile de l'ordre de 6,0 m, la longueur des tubes est de l'ordre de 5,6 m. Chaque tube 2 est muni, à une première extrémité, d'un embout de raccordement mâle 3 et, à une seconde extrémité, d'un embout de raccordement femelle 4. Ces embouts 3, 4 sont formés d'un alliage métallique, par exemple, un acier haute performance référencé 42CD4 (ou 42CRMO4), qui est traité thermiquement, après usinage. Les caractéristiques mécaniques des embouts 3, 4 de raccordement sont différentes de celles des tubes 2. En effet, selon l'invention, les embouts 3, 4 présentent une résistance mécanique Rm comprise entre 1500 MPa et 1800 MPa et, préférentiellement, entre 1600 MPa et 1700 MPa. Cette résistance mécanique est donc sensiblement supérieure à celle des tubes 2. Les mesures d'allongement des embouts montrent cependant une capacité d'élongation supérieure à 9,5 Ainsi, la résistance mécanique du train de tiges, dont les tiges sont munies d'embouts selon l'invention, est suffisante pour conférer, audit train de tiges, une résistance mécanique appropriée aux contraintes appliquées dans le cadre d'une exploration à grande profondeur. Cette résistance n'est cependant pas trop élevée, de manière que les tiges ne soient pas sujettes aux ruptures, notamment au niveau de la base des filetages des embouts. On notera que les caractéristiques de résistance mécanique ci-dessus sont obtenues, bien que l'épaisseur de la paroi des embouts soit approximativement la même que celle des tubes. Cela autorise l'utilisation de têtes de carottage standardisées dont le diamètre maximal, pour une tige de type N, est de 58,15 mm. En effet, les diamètres intérieur et extérieur des embouts 3, 4 sont approximativement les mêmes que ceux du tube 2. Par exemple, pour une tige de type N, le diamètre intérieur des embouts est très légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube. La différence est de 0,3 mm. Le diamètre extérieur d'une tige de type N selon l'invention est très légèrement supérieur au diamètre extérieur du tube. Cette différence est de 1 mm. Ainsi, un train de tiges pourra être mis en place sans difficulté dans un trou de forage prévu pour des tiges de type N, dont le diamètre est de 75,7 mm. Ainsi que cela apparaît aux figures 2A et 2B, le filetage 5 des embouts est un filetage sensiblement trapézoïdal, à angle inverse a. De ce fait, le désaccouplement des raccords est limité, même si les contraintes imposées aux tiges sont importantes. Selon l'invention, les embouts 3, 4 de raccordement sont rapportés aux extrémités des tubes 2, par soudage par friction. Il s'agit donc d'une méthode de rapport des embouts selon laquelle les embouts sont entraînés en rotation à grande vitesse par un mandrin puis mis en contact aux extrémités du tube, ce qui entraine une fusion des matériaux et une fixation des embouts aux tubes sans soudure. Des tests de résistance mécanique à des efforts de traction et de torsion ont été menés sur des tiges selon l'invention de type N, telle que décrites ci-dessus. Les tests de résistance mécanique aux efforts de traction ont été menés au moyen d'une machine de traction Mohr et Federhaff de type LUED100, n° 7304, de capacité nominale de 1000 kN. Les résultats montrent que la rupture au niveau des embouts mâle/femelle intervient à des valeurs de traction de 565 et 570 kN. Les tests de résistance mécanique à des efforts de torsion montrent que les couples maximum, qui sont susceptibles d'être appliqués auxdites tiges, sont de l'ordre de 13600 Nm, avec un premier pic de déformation légère autour de 9000 Nm. En définitive, les tiges pour carottier selon l'invention présentent des caractéristiques de résistance particulièrement intéressantes, tout en présentant des dimensions standards permettant l'utilisation de tête de carottiers standards. Grâce à ces caractéristiques de résistance, il est possible de réaliser des carottages à des profondeurs importantes, et ce, avec des tiges particulièrement grandes, de l'ordre de 6 m. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisations décrits ci-dessus mais doit être considérée dans un cadre large incluant d'autres modes de réalisations conforme à l'objet revendiqué de l'invention.30 REVENDICATIONS1. Assemblage de tiges pour carottiers à câble comportant une pluralité de tiges (1) assemblées les unes aux autres, chaque tige comprenant un tube (2) muni, à une première extrémité, d'un embout de raccordement mâle (3) et, à une seconde extrémité, d'un embout de raccordement femelle (4), lesdits embouts étant munis de filetages pour l'assemblage des tiges, caractérisé en ce que les embouts de raccordement sont des embouts rapportés formés d'un alliage métallique et présentent une résistance mécanique Rm comprise entre 1500 MPa et 1800 MPa. 2. Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les embouts présentent une résistance mécanique 15 Rm comprise entre 1600 MPa et 1700 MPa. 3. Assemblage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le filetage des embouts mâle (3) et femelle (4) est un filetage sensiblement trapézoïdal, à 20 angle inverse. 4. Assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les embouts (3, 4) de raccordement rapportés sont en acier 42CD4 (42CRMO4) 25 traité thermiquement, après usinage. 5. Assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les embouts (3, 4) sont rapportés aux tubes (2) par soudage par friction. 6. Assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tiges (1) ont une longueur utile supérieure à 5 m et en ce que les 30carottages sont pratiqués à des profondeurs supérieures à 1500 m. 7. Assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tiges sont normalisées de type B, N ou H, et présentent une résistance mécanique Rm à la traction sensiblement inférieure à celle des embouts (3, 4). 10 8. Assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre intérieur des embouts (3, 4) de raccordement est légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube (2) et en ce que le diamètre extérieur des embouts de raccordement est 15 légèrement supérieur au diamètre extérieur du tube. 9. Tige pour la fabrication d'un assemblage de tiges pour carottier à câble selon l'une des revendications précédentes. 20 10. Procédé de fabrication d'une tige pour carottier à câble selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante de rapport des embouts (3, 4) de raccordement mâle et femelle aux première et 25 seconde extrémités du tube (2), respectivement, par soudage par friction.