Brevet FR2989749A1 — publié le 20131025

SYSTÈME ET PROCÉDÉ POUR CONNEXION A COMMANDE HYDRAULIQUE ÉTANCHE ET LISSE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne les connexions étanches, notamment les 5 connexions par friction à commande hydraulique, en particulier celles destinées aux systèmes de forage ou de mesures aptes à fonctionner dans des puits en cours de forage. Elle concerne plus généralement les systèmes de connexion requérant des composants mobiles ou amovibles pouvant présenter des irrégularités de surface difficilement compatibles avec des 10 conditions de fonctionnement comportant notamment la circulation d'un fluide abrasif et/ ou la proximité avec des êtres vivants pour lesquels un tel système représente un risque d'accident ou de blessure. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE 15 Il existe de nombreuses solutions de connexion étanche entre un arbre et un moyeu. Parmi elles, les accouplements par friction à commande hydraulique sont globalement les plus performants et en même temps les plus économiques, notamment dans les applications pour lesquelles sont fréquemment requises des étapes de connexion-déconnection nécessaires, 20 par exemple pour la maintenance des systèmes qui en sont équipés. En effet, dans de tels types d'accouplements: - l'arbre et le moyeu sont cylindriques. Ils ne présentent pas de formes prismatiques coûteuses à mettre en oeuvre et surtout source de concentration de contraintes, permettant ainsi de maximiser les efforts de 25 couple et/ ou de traction à transmettre, mais également la durée de vie en fatigue de l'ensemble arbre/ connexion. - le montage et le démontage de ce type d'accouplement sont réalisés rapidement au moyen d'une simple pompe hydraulique à haute pression, à commande manuelle ou pneumatique. 30 Appliquée à un outil de forage tel que celui décrit dans la publication de brevet FR 2.898.935, cette solution maximise le taux d'utilisation de l'outil en permettant sa maintenance à proximité du site de forage, et évite d'avoir recours à un banc de serrage coûteux. Par ailleurs, cette solution appliquée aux deux extrémités de l'outil évite le recours à un arbre épaulé, 35 généralement forgé, et par conséquent coûteux et dont l'approvisionnement 2 989 74 9 2 nécessite une longue attente. Cette solution appliquée aux deux extrémités de l'outil permet en outre une flexibilité de conception, d'intégration, et de maintenance, étant donné qu'elle offre la possibilité de monter/ démonter l'outil suivant ses deux extrémités. En outre, cette solution permet également la fixation des mèches de forage (telles que Tricônes, PDC à matrice carbure, ou PDC à corps en acier) directement sur l'arbre d'un moteur ou d'un système de forage en mode rotatif dit "Rotary Steerable System", en atelier ou à proximité du site de forage, ce qui constitue une source de gain de temps en opération. Néanmoins, un tel système classique est généralement équipé de plusieurs bouchons et d'une chemise mobile source de discontinuités, et donc de turbulences dans le cas d'un système exposé à la circulation d'un fluide. Or, dans les conditions d'implantation et/ ou de fonctionnement d'un outil de forage, le fluide mis en oeuvre est généralement chargé de particules abrasives. En conséquence, les discontinuités de surface non-résorbées peuvent conduire à l'endommagement voire à la destruction des composants ou du système. Il ne fait pas de doute que, si une solution originale avait pu prendre place sans apport inventif, elle serait déjà opérationnelle vu les avantages qu'elle 20 représenterait. RÉSUMÉ DE L'INVENTION La présente invention repose sur une technique d'aménagement et non pas d'annihilation des discontinuités de surface du système de connexion 25 mis en oeuvre. Elle ne procède pas par suppression de ces discontinuités, mais par leur conception particulière destinée à les rendre aptes à permettre ensuite d'assurer un nivellement des surfaces ainsi accouplées, notamment au moyen de composants partiellement ou totalement réalisés en matériau élastomère et/ ou caoutchouc destinés à y être insérés, une fois que 30 l'accouplement par friction a été activé. Les espaces représentés par ces discontinuités avantageusement des contre-dépouilles, qui offrent supplémentaire de bloquer les composants en matériau élastomère. La mise en place et l'extraction des composants en matériau élastomère selon 35 l'invention utilisent alors les propriétés élastiques des élastomères. présentent l'avantage 2 989 74 9 3 L'invention a ainsi pour premier objet un procédé pour l'aménagement et le nivellement des discontinuités de surface d'un système de connexion par friction, notamment d'un système de connexion par friction à commande hydraulique, dans lequel on munit le système de connexion par friction 5 d'aménagements et d'éléments de nivellement appropriés des discontinuités de surface de telle manière que lesdites discontinuités sont aptes à être sensiblement comblées après l'activation de l'accouplement par friction, avantageusement de manière amovible, au moyen d'au moins un élément de nivellement des surfaces déformable, élastique ou thermo-rétractable, ledit 10 au moins un élément déformable étant avantageusement en matériau élastomère et ayant des dimensions appropriées pour pouvoir être inséré, par déformation élastique ou par chauffage, sur lesdites discontinuités et être retenu sur celles-ci pour ainsi sensiblement niveler ladite surface. L'invention a également pour objet un système de connexion étanche par 15 friction à commande hydraulique, comportant au moins une pièce de connexion destinée à recevoir au moins une frette munie d'au moins deux bouchons, et au moins une contre-bague équipée de joints aptes à assurer l'étanchéité entre la au moins une pièce de connexion et ladite au moins une frette pour permettre l'activation de la connexion par injection d'huile sous pression par le logement du bouchon, ledit système comportant en outre une bague annulaire et étant conçu de telle manière que ladite au moins une frette et/ ou ladite au moins une contre-bague comportent une interface apte à recevoir et bloquer ladite au moins une bague annulaire après l'activation de ladite connexion par friction à commande hydraulique. Dans une forme de réalisation d'un tel système de connexion, on peut mettre en oeuvre un ou plusieurs éléments de nivellement des surfaces déformables, élastiques, s'appuyant sur le principe des anneaux d'arrêt multi-tours telles que ceux commercialisés par la société Smalleye Steel Ring Company, Lake Zurich, IL (USA). Dans une forme de réalisation particulièrement préférée, les discontinuités à traiter sont procurées par les frettes et/ ou les bouchons, lesdits bouchons étant introduits dans des orifices appropriés sur lesdites frettes, tandis que les moyens employés pour le traitement de ces discontinuités sont choisis pour permettre ensuite d'assurer un nivellement des surfaces ainsi accouplées, notamment des moyens partiellement ou totalement réalisés en matériau élastomère, notamment une bague annulaire pour la frette ou la contre-bague, et un protecteur d'empreinte de serrage et une interface appropriée pour les bouchons, aptes à être insérés une fois que l'accouplement par friction a été activé. En particulier: - dans le cas de la frette un anneau, de préférence élastique ou thermorétractable, est placé à l'arrière de la frette, après activation de celle-ci, et un tel anneau élastomère peut être conçu pour raccorder des éléments de système ayant éventuellement deux diamètres différents au niveau du raccord; et - dans le cas des bouchons, l'empreinte de serrage-desserrage (hexagonale, Torx®, multilobes, ou autres) est avantageusement placée à l'intérieur du ou des bouchons, de telle manière qu'il devient alors possible d'aménager un volume entre la surface externe de la frette et ladite empreinte de serrage-desserrage, ledit volume pouvant recevoir un surbouchon ou autre élément classique protecteur ou obturateur, extractible et de préférence en matériau élastomère. Ladite empreinte ainsi conçue est toujours protégée de l'usure de l'outil et est donc toujours opérationnelle pour les opérations de maintenance. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres objectifs, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement, à la lumière de la description détaillée ci-après de modes de réalisation préférés, fournis à titre illustratif et nullement limitatif, tandis que sont annexées à ladite description des planches de dessins dans lesquelles: Figure 1 est une vue isométrique d'une connexion selon l'invention, à l'état serré. Figure 2 est une vue en coupe de la connexion serrée présentée à la Figure 1. Figure 3 est une vue isométrique de la connexion selon Figure 1, avant serrage et équipée d'une connexion hydraulique destinée à son activation. Figure 4 est une vue en coupe de la connexion avant serrage présentée à la Figure 3. Figure 5 est une vue isométrique d'un bouchon équipé selon l'invention. Figure 6 est une vue en coupe du bouchon présenté à la Figure 5. Figure 7 est une vue isométrique d'une connexion selon l'invention, après serrage, appliquée à une mèche de forage de type PDC à matrice de carbure. Figure 8 est une vue en coupe de la connexion présentée à la Figure 7. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION En référence aux dessins ainsi succinctement décrits, qui illustrent l'invention sans la limiter d'une quelconque manière, on décrit ci-après plus en détail la présente invention. La description ci-après s'appuie sur une forme de réalisation de 15 l'invention qui ne limite nullement celle-ci, et dont les éléments illustrés portent des numéros de référence qui, pour chaque élément ainsi illustré, sont identiques sur l'ensemble des figures. Les Figures 1 à 4 présentent une connexion par friction à commande hydraulique permettant de solidariser et désolidariser alternativement au 20 moyen d'une simple pompe hydraulique haute pression un arbre 2 d'axe )0( pouvant être solidaire ou en rotation par rapport à un bâti 1, avec une pièce de connexion 3 sous l'action d'une frette 4, ladite frette 4 ayant deux positions connues de l'homme de l'art et comportant 3 bouchons 41, 42 et 43. La contre-bague 5 équipée de joints 51 et 52 permet l'étanchéité entre la 25 pièce de connexion 3 et la frette 4 pour l'activation de la connexion par injection d'huile sous pression par le logement du bouchon 42. La frette 4 comporte une deuxième étanchéité 31 avec la pièce de connexion 3, du coté opposé à la contre-bague 5 et de plus grand diamètre que l'étanchéité 52 de telle manière que: 30 ^ le mécanisme de la frette est entièrement protégé de l'effluent externe, facilitant et fiabilisant ainsi la maintenance du système en évitant l'altération du fonctionnement de ladite frette par corrosion, sédimentation de la boue de forage et autres phénomènes perturbateurs; 2 989 749 6 ^ La pression externe renforce le blocage de la frette en position, ce qui fiabilise son fonctionnement en environnement hostile, par exemple en présence de chocs et vibrations. Lorsque la frette 4 passe de sa position "desserrée" (Figures 3 et 4) à sa 5 position "serrée" (Figures 1 et 2), il se crée un espace entre le bâti 1 et la frette 4, dû au déplacement de ladite frette 4 suivant l'axe XX en direction de la pièce de connexion 3, et et par conséquent une discontinuité de surface extérieure entre le bâti 1 et la frette 4. Afin de combler cet espace pour conserver une forme externe lisse 10 indispensable à la durabilité de la connexion, il est prévu d'ajouter une bague annulaire 6 sur la frette 4, ladite frette 4 comportant une gorge permettant de bloquer axialement la bague annulaire 6. L'ensemble ainsi constitué par la frette 4 ainsi équipée et le bâti 1 est alors rendu totalement lisse si l'arbre 2 est solidaire du bâti 1; mais dans le cas où l'arbre 2 est en rotation par rapport au bâti 1, il subsiste avantageusement un jeu compris entre 0,25 et 2,5 mm entre la bague annulaire 6 et le bâti 1. Un tel système peut donc fonctionner de manière fiable et durable au milieu d'un écoulement de fluide abrasif. De même, chaque bouchon 41, 42 et 43 est équipé d'un protecteur 7 qui protège l'empreinte de serrage/ desserrage 46 des bouchons. Comme cela est représenté sur les Figures 5 et 6, les bouchons comportent une étanchéité haute pression métal/métal de faible diamètre 47, une deuxième étanchéité de plus grand diamètre 48 côté extérieur et un filetage de fixation 49 situé entre les deux étanchéités 47 et 48, si bien que: - l'étanchéité haute pression métal /métal de faible diamètre permet la mise en oeuvre du connecteur hydraulique 45 destiné au serrage et au desserrage de la frette; - l'étanchéité de plus grand diamètre 48 côté extérieur protège le filetage de fixation 49 de l'effluent externe, évitant ainsi l'altération du graissage initial dudit filetage; - la pression externe renforce le blocage des bouchons même si l'outil est rempli d'un fluide pressurisé, c'est-à-dire à une pression légèrement supérieure à la pression de l'effluent externe; 2 989 749 7 - l'empreinte de serrage/ desserrage des bouchons est protégée de l'érosion due à la circulation d'un fluide abrasif autour de la frette. La maintenance de la connexion est ainsi facilitée et fiabilisée, quelles que soient ses conditions d'utilisation. 5 Les figures de 7 et 8 présentent la connexion par friction à commande hydraulique susdite avec une pièce de connexion 3 solidaire d'une mèche de forage 8 de type PDC à matrice de carbure, ladite pièce de connexion 3 remplaçant le traditionnel "API Shank". La soudure circulaire 82 solidarise le "steel blank" 81 avec la pièce de 10 connexion 3. Cette construction est également applicable aux mèches de forage de type tricône. En revanche, dans le cas d'un outil PDC à corps acier, ledit corps acier et la pièce de connexion 3 ne feront avantageusement qu'un. 15 Ainsi, comme cela a été exposé plus haut, l'objectif de l'invention est atteint par de tels moyens, qui permettent d'aménager les discontinuités de surface de sorte qu'elles puissent être comblées une fois l'accouplement par friction activé par des composants déformables, élastiques ou thermorétractables, en métal, en élastomère et/ou en plastique. 20 Les espaces à combler présentent avantageusement des contre-dépouilles grâce auxquelles les composants déformables sont bloqués. Ainsi: - dans le cas de la frette, un anneau (ci-après dénommé "déflecteur de frette") est placé à l'arrière de la frette après activation de cette dernière, ledit anneau pouvant également être utilisé pour raccorder deux 25 diamètres différents; - dans le cas des bouchons, l'empreinte de serrage-desserrage peut être placée à l'intérieur du bouchon de sorte qu'il est possible d'aménager, entre la surface externe de la frette et ladite empreinte de serrage-desserrage un volume destiné à recevoir un sur-bouchon ou autre élément 30 classique protecteur ou obturateur, extractible en élastomère (ci-après dénommé "protecteur de bouchon"), conçu pour éviter les turbulences liées à l'écoulement du fluide de forage autour de l'outil et ainsi protéger 2 989 74 9 8 l'empreinte de serrage-desserrage contre l'érosion liée aux charges abrasives véhiculées par l'effluent, de telle sorte que ladite empreinte reste toujours opérationnelle pour les opérations de maintenance - même en cas d'usure de l'outil pour d'autres raisons, notamment par suite du 5 frottement contre la paroi du puits foré. Dans des formes de réalisation préférées de l'invention, les éléments ci-après, pris isolément ou dans toute combinaison entre eux qui soit techniquement compatible, constituent des options avantageuses: - Le déflecteur de frette et les protecteurs de bouchon sont 10 avantageusement en polyuréthane, NBR, HNBR, FKM ou FFKM, éventuellement chargé pour mieux résister à l'abrasion. - Le déflecteur annulaire de frette est avantageusement bloqué dans une gorge de la frette. - Le déflecteur permet de raccorder deux diamètres - le diamètre de la frette 15 n'étant pas nécessairement le même que celui de l'outil, compte tenu des contraintes de repêchage qu'il faut respecter dans l'industrie pétrolière. - Les protecteurs des bouchons sont avantageusement bloqués dans une gorge de profil circulaire ou en forme de tore ou autres. - Le protecteur de bouchon présente avantageusement un trou central 20 traversant rectiligne, conique ou en hélice, de sorte qu'il est facilement extractible tout en évitant de piéger de la pression sous ledit protecteur. - Les bouchons comportent une étanchéité haute pression métal /métal de faible diamètre pour l'activation de la connexion, une deuxième étanchéité de plus grand diamètre avantageusement par joint élastomère et un 25 filetage de fixation situé entre les deux étanchéités, de sorte que ledit filetage est protégé du fluide abrasif en fonctionnement, et que la pression hydrostatique contribue au verrouillage desdits bouchons en position en opération - même si l'outil est pressurisé. [Redite nécessaire?] Par ailleurs, cette architecture du bouchon présente un encombrement radial minimum 30 permettant l'implantation desdits bouchons en dehors des excroissances habituelles des outils de forage, et évite d'avoir un mode commun de défaillance des étanchéités. - La frette comporte une première étanchéité pour son activation à une extrémité et une deuxième étanchéité de plus grand diamètre que la 2 989 749 9 première à son extrémité opposée, de sorte que la pression hydrostatique contribue au verrouillage de la frette en position en opération. - La frette comporte un troisième bouchon permettant l'évacuation de l'huile après activation de ladite frette, avec avantageusement présence 5 d'un drain. - Les bouchons sont avantageusement réalisés en CuBe2, CuNi14Sn8, CuNi14Al2, CuNi14A13, INCONEL 718, MP35-N notamment, et/ ou avec un traitement de surface approprié pour éviter les risques de grippage et ainsi fiabiliser les opérations de maintenance. 10 - Les logements des bouchons sont avantageusement alignés de telle manière que la purge/le drainage de la frette après son activation s'en trouvent facilités. De plus, cette disposition constructive réduit les coûts de production et de maintenance. - La frette est avantageusement en matériaux ayant un module d'Young et 15 une limite élastique élevés. - L'alésage de la connexion et/ ou la partie de l'arbre en contact avec ladite connexion est(sont) revêtu(s) d'un revêtement, appliqué par l'une des techniques connues de l'homme du métier et destiné à permettre d'augmenter le coefficient de friction entre les deux composants, et ainsi 20 augmenter les performances (en traction & torsion) de l'accouplement sans augmenter la pression de contact et, par voie de conséquence, les contraintes dans les composants de l'assemblage liées au frettage. - La bague annulaire (6) et les protecteurs de bouchons (7) sont monobloc en élastomère/ caoutchouc. 25 - La bague annulaire (6) présente une forme conique sur sa partie extérieure. - Les protecteurs de bouchons (7) présentent un trou traversant (71) rectiligne, conique ou en hélice. - La frette (4) comporte une deuxième étanchéité (31) avec la pièce de 30 connexion (3), du coté opposé à la contre-bague (5) et de plus grand diamètre que l'étanchéité (51), et un troisième bouchon (43). - Les bouchons (41), (42) et potentiellement (43) et la frette (4) sont alignés. 2 9 89 74 9 10 - Les bouchons (41) et (42), et potentiellement (43), comportent une étanchéité haute pression métal/ métal de faible diamètre (47), une deuxième étanchéité de plus grand diamètre (48) et un filetage de fixation (49) situé entre les deux étanchéités (47) et (48). 5 - Les bouchons (41) et (42), et potentiellement (43), comportent une empreinte de serrage (46) de type trilobe. - La pièce de connexion (3) fait partie intégrante de la mèche de forage (7). - L'alésage de la pièce de connexion (3) et/ ou la partie de l'arbre (2) en contact avec ladite pièce de connexion est(sont) revêtu(s) d'un revêtement 10 ayant un coefficient de friction élevé. - La connexion entre l'arbre (2) et la pièce de connexion (3) est complétée par un filetage (23). L'ensemble des points précédents conduit à une structure dépourvue de discontinuités d'écoulement majeures, ce qui permet de mettre en oeuvre des 15 accouplements par friction à commande hydraulique sans risque d'endommagement par d'érosion, même en présence d'un écoulement à grande vitesse d'un fluide chargé d'éléments abrasifs. La connexion selon l'invention peut ainsi remplacer avantageusement le filetage de fixation habituel de la mèche de forage sur l'arbre d'un 20 moteur de fond ou d'un système de forage en mode rotatif dit « Rotary Steerable System". Dans le cas d'un tricône ou d'un PDC à matrice de carbure, la connexion est soudée au corps de la mèche; dans le cas d'un outil à corps acier/ taillé dans la masse, le corps et la connexion ne font avantageusement qu'un. Dans les deux cas, cette solution constructive 25 permet: - d'effectuer les opérations de serrage/desserrage de la mèche de forage en dehors de la plateforme de forage (rig floor) et sans recours à un banc de serrage coûteux, d'où un gain de temps et une réduction des temps non-productifs des opérations, ainsi que des risques 30 d'endommagement de la mèche; - d'optimiser les performances hydrodynamiques des mèches de forage sans se soucier d'éventuelles formes pour assurer le serrage/ desserrage de la mèche généralement perturbatrices pour l'écoulement de la boue de forage autour de ladite mèche; 2 989 74 9 11 - de raccourcir la longueur de la connexion, donc de réduire la distance entre le système d'orientation et ladite mèche de forage et ainsi maximiser la capacité directionnel ou "Budd-up Rate" du dispositif de forage global, que décrit par exemple dans le document de brevet FR 2.898.935.