Brevet FR3011309A1 — publié le 20150403

Butée pour un composant tubulaire recouverte d'un dépôt métallique composite La présente invention se rapporte à une butée pour un composant tubulaire, ladite butée étant recouvert d'un revêtement métallique composite particulier. Par composant tubulaire, on entend au sens de la présente invention tout élément ou accessoire utilisé pour forer ou exploiter un puits. Un composant tubulaire est destiné à être assemblé par un ou plusieurs éléments de connexion, en particulier un filetage, une portée et une butée, à un autre composant tubulaire pour constituer avec cet autre composant tubulaire un joint fileté tubulaire. Le composant tubulaire peut être par exemple un tube de relativement grande longueur (notamment d'environ une dizaine de mètres de longueur), un manchon tubulaire de quelques dizaines de centimètres de longueur, un accessoire de ces tubes (dispositif de suspension ou "hanger", pièce de changement de section ou "cross-over", vanne de sécurité, connecteur pour tige de forage ou "tool joint", "sub", et analogues). Les composants tubulaires sont généralement assemblés les uns aux autres pour être descendus dans les puits d'hydrocarbures ou des puits similaires et constituer une garniture de forage, une colonne de tubes de cuvelage ("casing") ou de tubage ("liners") ou encore une colonne de tubes de production ("tubing") ou encore une colonne d'exploitation. La spécification API 5CT émise par l'American Petroleum Institute (API), équivalente à la norme ISO 11960 : 2004 émise par l'International Standardisation Organisation (ISO), régit les spécifications des tubes utilisés comme casing ou tubing, et la spécification API 5B définit des filetages standards pour ces tubes. La spécification 7 de l'API définit des connecteurs filetés à épaulement pour tiges de forage rotatif. Au cours des 20 dernières années, les conditions et environnement du forage se sont complexifiés du fait du besoin d'aller chercher plus loin le pétrole. Les longueurs des colonnes de forage se sont accrues, ainsi que les sollicitations supportées par ces dernières : besoin de transmettre plus de couple de la surface à la tête de forage, besoin de meilleures performances en traction et en résistance anticorrosion. Pour satisfaire ces besoins, de nouvelles connexions filetées dites Premium, situées à chaque extrémité de chaque tube composant cette colonne de forage, ont été créées. Elles comprennent principalement une butée secondaire intérieure qui va leur permettre d'accroitre leur résistance à la torsion par rapport à des connexions API classiques. On parle de connexion à double butée. Une des particularités de cette connexion Premium est qu'elle est plus sensible, la butée additionnelle (ou butée intérieure) étant du fait de son profil plus exposée aux coups et impacts occasionnés lors de la manipulation des tiges durant leur stockage sur la plate-forme de forage ou sur base, ou lors de l'opération de mise en contact du flanc porteur de filet. Si dans le cadre d'utilisation de connexions à simple butée (connexion API), il est possible de réparer sur chantier ces dernières en utilisant un appareil de refaçage conçu à cet effet, cette utilisation de machine et cette pratique ne sont pas possibles pour les connexions à double butée. En effet, les tolérances dimensionnelles et géométriques entre les butées intérieures et extérieures sont si serrées que la réparation ne peut s'effectuer que sur un tour d'usinage et donc non plus sur chantier mais dans un atelier de réparation. La réparation et le temps d'immobilisation génèreront des coûts importants, plus élevés que ceux générés lors de l'utilisation de connexions API. Il existe donc un besoin réel de disposer de butées qui présentent de bonnes performances en terme de dureté, pour réduire la sensibilité de ces butées aux chocs. Il est également nécessaire que les butées présentent de bonnes propriétés de résistance à la corrosion. L'invention a donc pour objet une butée pour un composant tubulaire caractérisée en ce qu'elle est recouverte d'un revêtement comprenant une couche principale constituée d'un alliage choisi parmi les alliages de nickel-phosphore, les alliages de cuivre-nickel et les alliages de nickel tungstène. L'épaisseur de ladite couche principale varie avantageusement de 5 à 35 i.tm. Selon un premier mode de réalisation préféré, la couche principale est constituée d'un alliage nickel-phosphore. Le phosphore représente généralement de 5 à 13%, de préférence de 8 à 13%, mieux de 10 à 12% en poids du poids total de l'alliage de nickel-phosphore. Lorsque la couche principale est constituée d'un alliage nickel-phosphore, l'épaisseur de ladite couche principale varie avantageusement de 20 à 35 i.tm, mieux de 25 à 30 i.tm. Selon un second mode de réalisation préféré, la couche principale est constituée d'un alliage nickel-Tungstène. Le tungstène représente généralement de 5 à 15%, en poids du poids total de l'alliage de nickel-tungstène. Lorsque la couche principale est constituée d'un alliage nickel- tungstène, l'épaisseur de la couche principale varie de préférence de 5 à 20 i.tm, mieux de 5 à 15 i.tm. Une telle couche d'alliage de nickel-phosphore est proposée par la société MACDERMID sous la référence commerciale NIKLAD XD7647. Le revêtement de la butée selon l'invention peut en outre comprendre une sous-couche constituée d'un alliage présentant une ductilité plus grande que la ductilité de la couche principale. De préférence, la sous-couche est constituée d'un alliage choisi parmi les alliages de nickel-cuivre et les alliages de nickel-aluminium. Avantageusement, cette sous-couche permet de préserver la fonction anti-corrosion du revêtement. En effet, la couche principale étant de ductilité faible, celle-ci peut craqueler lors de la sollicitation de la butée. La sous-couche de plus forte ductilité ne présentera pas le même craquèlement et constitue alors un obstacle supplémentaire pour les agents corrosifs. De préférence, l'épaisseur de la sous-couche varie de 1 à 3 i.tm. Le revêtement de la butée selon l'invention peut également comprendre en outre une couche additionnelle, distincte de la couche principale, constituée d'un alliage choisi parmi les alliages de nickel-phosphore comprenant des particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides, les alliages de nickel-tungstène, ladite couche additionnelle étant disposée sur ladite couche principale. De préférence, la couche additionnelle est constituée d'un alliage choisi parmi les alliages de nickel-phosphore comprenant des particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides. Un lubrifiant solide est un corps solide et stable qui en s'intercalant entre deux surfaces de frottement permet d'abaisser le coefficient de frottement et de réduire l'usure et l'endommagement des surfaces. Dans la présente invention, il est toutefois recherché d'augmenter le frottement ou la dureté pour pouvoir augmenter le couple transmissible entre les butées. Dès lors les lubrifiants additionnels permettent d'ajuster en les réduisant les valeurs de couple transmissible de butée à butée. Ces corps peuvent être classés en différentes catégories définies par leur mécanisme de fonctionnement et leur structure. Ces catégories sont par exemple décrits dans les documents de cours intitulé "les lubrifiants solides" dispensé par Monsieur Eric Gard à l'École Nationale Supérieure des Pétroles et Moteurs (France). Classe 1 : corps solides devant leurs propriétés lubrifiantes à leur structure cristalline, par exemple graphite, nitrure de bore BN, oxyde de zinc ZnO. Classe 2 : corps solides devant leurs propriétés lubrifiantes d' une part à leur structure cristalline et d'autre part à un élément chimique réactif de leur composition, par exemple bisulfure de molybdène MoS2, fluorure de graphite, sulfures d'étain, sulfures de bismuth. Classe 3 : corps solides devant leurs propriétés lubrifiantes à leur réactivité chimique, par exemple certains composés chimiques de type thiosulfates (par exemple Desilube 88 commercialisé par Desilube Technology Inc.). Classe 4 : corps solides devant leurs propriétés lubrifiantes à un comportement plastique ou viscoplastique sous contrainte de frottement, par exemple polytétrafluoréthylène PTFE, polyamides. On peut encore citer le carbure de silicium et le carbure de tungstène. Les particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides sont avantageusement choisies parmi les particules de polytétrafluoroéthylène, de talc, de mica, de nitrure de bore, de carbure de silicium, de carbure de tungstène, de sulfure de tungstène, de sulfure de molybdène et leurs mélanges. De préférence, les particules d'un ou plusieurs composés 20 lubrifiants solides sont choisies parmi les particules de polytétrafluoroéthylène. Avantageusement, le phosphore de l'alliage nickel-phosphore comprenant les particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides représente de 5 à 13%, de préférence de 8 à 13%, mieux de 10 25 à 12% en poids du poids total de l'alliage nickel-phosphore comprenant les particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides. Les particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides représentent avantageusement de 20 à 35% en volume, de préférence 30 de 25 à 30% en volume, par rapport au volume total de l'alliage nickel-phosphore comprenant les particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides. Une telle couche d'alliage de nickel-phosphore comprenant des particules de polytétrafluoroéthylène est proposée par la société MACDERMID sous la référence commerciale NIKLAD ICE Ultra. L'épaisseur de ladite couche additionnelle peut varier de 3 à 13 ùm, de préférence de 5 à 10 ùm. Le revêtement peut en outre comprendre une couche lubrifiante disposée sur ladite couche principale ou sur ladite couche additionnelle lorsque le revêtement comprend ladite couche additionnelle. La couche lubrifiante peut être choisie parmi une graisse, une couche lubrifiante semi-solide ou une couche lubrifiante solide et sèche comprenant une ou plusieurs particules lubrifiantes solides dans une résine. La couche lubrifiante semi-solide comprend généralement un ou plusieurs additifs extrême-pression, une ou plusieurs particules lubrifiantes solides, un ou plusieurs savons métalliques et une ou plusieurs cires à bas point de fusion. De telles couches lubrifiantes semi-solides sont décrites par exemple dans la demande de brevet FR 2 937 046. La couche lubrifiante solide et sèche comprend généralement une ou plusieurs particules lubrifiantes solides pour la réduction du frottement dans une résine liante, telle qu'un polymère organique ou inorganique, choisie parmi les résines thermodurcissables époxy, polyuréthane, polyester insaturé, polyphénylsulfone, polyimide et silicone, les résines thermoplastiques polyoléfine, copolymère d'oléfine, polyamide, polyamide-imide, polyaryléthercétone, les polysilicates alcalins présentant un rapport Si02/Mx0 supérieur à 2, où M= Na, K ou Li, les organo-métalliques tels que les alkoxytitanates ou le silicate d'éthyle. L'invention a encore pour objet un composant tubulaire comprenant une butée selon l'invention. Le composant tubulaire selon l'invention est plus particulièrement réalisé en acier, et en particulier les aciers tels que décrits dans les normes API 5CT, par exemple ceux comprenant du carbone en proportion inférieure à 0,25 %, et ou préférentiellement, les aciers présentant un grade tel que défini selon les normes IS011960 et IS013680, et ou encore un acier carbone H40, J55, K55, M65, L80, C90, C95, T95, P110, Q125, S135, V150 ou encore un acier martensitique 13Cr ou S13Cr, ou Duplex 22Cr + 25Cr, ou Super- Duplex 25Cr, ou austénitique Fe 27Cr. L'invention a encore pour objet un procédé d'obtention d'un élément de connexion tel que défini précédemment dans lequel la couche principale et la couche additionnelle éventuelle sont déposées par dépôt autocatalytique. La couche principale utilisée selon l'invention peut être déposée sur l'élément de connexion par dépôt autocatalytique. En particulier, les dépôts autocatalytiques d'alliage de nickel-phosphore sont décrits dans la norme NF EN ISO 4527, ainsi que dans le document Louis LACOURCELLE - Nickelage chimique, Techniques de l'Ingénieur, traité Matériaux métalliques. Des dépôts autocatalytiques d'alliage de nickel-phosphore sont proposés par la société MACDERMID sous la référence NiK1adTM ELV. Des dépôts autocatalytiques d'alliage de nickel-Tungstène sont proposés par la société SIFCO sous la référence commerciale de Nickel Tungstène code 5711. La couche additionnelle éventuellement utilisée selon l'invention peut être obtenue par dépôt autocatalytique. En particulier, des dépôts autocatalytiques d'alliage de nickel- phosphore contenant des particules de polytétrafluoroéthylène sont proposés par la société MACDERMID sous la référence NiK1adTM ICE ULTRA. Le dépôt de la couche principale utilisée selon l'invention, de la sous-couche éventuellement utilisée selon l'invention et de la couche additionnelle éventuellement utilisée selon l'invention peut être effectué selon un procédé autocatalytique comprenant les étapes suivantes : - nettoyage de la surface de l'élément de connexion ; le nettoyage peut se faire par dégraissage alcalin, puis rinçage, puis dégraissage électrolytique, puis rinçage, puis décapage acide, puis rinçage ; puis - éventuellement déposition de la sous-couche, puis - déposition de la couche principale, puis dépassivation de la surface, puis éventuellement déposition de la couche additionnelle, puis rinçage ; puis - séchage en étuve, par exemple à une température de l'ordre de 70°C, puis - traitement de dégazage en atmosphère oxydante, typiquement pendant 2h à 220°C. Ce procédé peut en outre comprendre une étape de post-traitement thermique à une température comprise de préférence entre 250 et 550°C, de préférence de l'ordre de 400°C, par exemple pendant une durée de 3 à 5h. Cette étape de post-traitement thermique permet d'augmenter la dureté du revêtement. Alternativement, le dépôt de la couche principale utilisée selon l'invention et de la couche additionnelle éventuellement utilisée selon l'invention peut être effectué selon un procédé électrolytique. Lorsqu'un tel procédé électrolytique est utilisé, le dépôt d'une sous-couche telle que définie précédemment est nécessaire. Ainsi, le procédé électrolytique comprend les étapes suivantes : - nettoyage de la surface de l'élément de connexion ; le nettoyage peut se faire par dégraissage alcalin, puis rinçage, puis dégraissage électrolytique de préférence base acide, puis rinçage; puis - déposition d'une sous-couche dont l'épaisseur varie de 1 à 3 - déposition de la couche principale, puis dépassivation de la surface, puis éventuellement déposition de la couche additionnelle, puis rinçage ; puis - post-traitement thermique à une température comprise de préférence entre 250 et 550°C, de préférence de l'ordre de 400°C, par exemple pendant une durée de 1h à 5h. Cette étape de post-traitement thermique permet d'augmenter la dureté du revêtement. Des caractéristiques sont exposées plus en détail dans la description ci-après, avec référence aux dessins annexés. La figure 1 est une vue schématique d'un joint résultant de l'assemblage par vissage de deux composants tubulaires. La figure 2 est une vue agrandie d'une zone encadrée A de la figure 1. Le joint fileté représenté sur la figure 1, comprend un premier composant tubulaire d'axe de révolution 9 et doté d'une extrémité mâle 1 et un second composant tubulaire d'axe de révolution 9 et doté d'une extrémité femelle 2. Les deux extrémités 1 et 2 s'achèvent chacune par une surface terminale orientée radialement par rapport à l'axe 9 du joint fileté et sont respectivement dotées de portions filetées 3 et 4 qui coopèrent entre elles pour l'assemblage mutuel par vissage des deux composants. Dans le joint fileté représenté sur la figure 2, une partie de la portion filetée à profil évanouissant 10 ne coopère pas avec un filetage complémentaire. Comme représenté sur la figure 2, des surfaces d'étanchéité métal / métal (portées) 5, 6 destinées à être en contact serrant étanche l'une contre l'autre après assemblage par vissage des deux composants filetés, sont ménagées respectivement sur les extrémités mâle et femelle au voisinage des portions filetées 3, 4. L'extrémité mâle 1 s'achève par une surface terminale 7 qui vient en butée contre une surface correspondante 8 ménagée sur l'extrémité femelle 2 lorsque les deux extrémités sont vissées l'une dans l'autre. Les surfaces 7 et 8 sont dénommées butées. Selon l'invention, elles sont recouvertes d'un revêtement tel que défini précédemment (non représenté). REVENDICATIONS1. Butée pour un composant tubulaire caractérisée en ce qu'elle est recouverte d'un revêtement comprenant une couche principale constituée d'un alliage choisi parmi les alliages de nickel-phosphore, les alliages de cuivre-nickel et les alliages de nickel-tungstène. 2. Butée selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur de ladite couche principale varie de 5 à 35 i.tm. 3. Butée selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la couche principale est constituée d'un alliage de nickel-phosphore. 4. Butée selon la revendication 3, caractérisée en ce que le phosphore représente de 5 à 13%, de préférence de 8 à 13%, mieux de 10 à 12% en poids du poids total de l'alliage de nickel-phosphore. 5. Butée selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche principale varie de 20 à 35 i.tm, mieux de 25 à 30 i.tm. 6. Butée selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la couche principale est constituée d'un alliage de nickel-tungstène. 7. Butée selon la revendication 6, caractérisée en ce que le tungstène représente de 5 à 15% en poids du poids total de l'alliage de nickel-tungstène. 8. Butée selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que l'épaisseur de la couche principale varie de 5 à 20 i.tm, mieux de 5 à 15 i.tm. 9. Butée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le revêtement comprend en outre une sous-couche constituée d'un alliage choisi parmi les alliages de nickel-cuivre et les alliages de nickel-aluminium. 10. Butée selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'épaisseur de la sous-couche varie de 1 à 3 i.tm. 11. Butée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le revêtement comprend en outre une couche additionnelle constituée d'un alliage choisi parmi les alliages de nickel-phosphore comprenant des particules d'un ouplusieurs composés lubrifiants solides, les alliages de nickel-tungstène, ladite couche additionnelle étant disposée sur ladite couche principale. 12. Butée selon la revendication 11, caractérisée en ce que les particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides sont choisies parmi les particules de polytétrafluoroéthylène, de talc, de mica, de nitrure de bore, de carbure de silicium, de carbure de tungstène, de sulfure de tungstène, de sulfure de molybdène et leurs mélanges. 13. Butée selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que le phosphore de l'alliage nickel-phosphore comprenant les particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides représente de 5 à 13%, de préférence de 8 à 13%, mieux de 10 à 12% en poids du poids total de l'alliage nickel-phosphore comprenant les particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides. 14. Butée selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que les particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides représentent de 20 à 35% en volume, de préférence de 25 à 30% en volume, par rapport au volume total de l'alliage nickel-phosphore comprenant les particules d'un ou plusieurs composés lubrifiants solides. 15. Butée selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que l'épaisseur de ladite couche additionnelle varie de 3 à 13 i.tm, de préférence de 5 à 10 i.tm. 16. Butée selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement comprend une couche lubrifiante disposée sur ladite couche principale ou sur ladite couche additionnelle lorsque le revêtement comprend ladite couche additionnelle. 17. Butée selon la revendication 16, caractérisé en ce que la couche lubrifiante est choisie parmi une graisse, une couche lubrifiante semi-solide ou une couche lubrifiante solide et sèche comprenant une ou plusieurs particules lubrifiantes solides dans une résine. 18. Composant tubulaire comprenant une butée telle que définie à l'une quelconque des revendications précédentes. 19. Procédé d'obtention d'une butée telle que définie dans l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que la couche principale et la couche additionnelle éventuelle sont déposées par dépôt autocatalytique. 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de post-traitement à une température comprise entre 250 et 550°C.