Brevet FR3098878A1 — publié le 20210122

Description Titre de l'invention : Joint fileté pour colonne de cuvelage de puits de pétrole [0001] La présente invention est relative à des joints ou assemblages de tubes destinés à être connectés au moyen de filetages et concerne les tubes utilisés dans l'industrie et en particulier les assemblages ou jonctions filetées destinées à équiper les colonnes de tubes de production ou d'accessoires tubulaires de production ou les colonnes de tubes de cuvelage pour l'exploration, la prospection ou l'exploitation des puits de pétrole ou de gaz, ainsi que les assemblages ou jonctions filetés utilises pour toute application dans laquelle il peut être nécessaire d'assembler des lignes de tubes ou des accessoires tubulaires comme par exemple dans l'industrie de la géothermie ou dans la production de vapeur. L'assemblage fileté selon l'invention est particulièrement utile pour l'assemblage de tubes métalliques utilisés pour le cuvelage de puits de pétrole ou de gaz comme cela est expliqué ci-après. [0002] Dans ce texte on utilise avec le même sens, sauf contexte particulier, les mots as- semblage ou joint ou jonction ou connexion. Par tubes on entend tout type de tubes ou de composants tubulaires ou d'accessoires tubulaires existants ou susceptibles d'être mis en oeuvre dans l'industrie, ces tubes étant en général des tubes métalliques. En particulier, ces tubes sont des tubes sans soudure obtenus à partir d'acier tels que ceux définis dans les normes API 5 CT, ou encore selon les normes lSO 11960 :2004. De préférence, un joint selon l'invention est obtenu entre des tubes réalisés dans un matériau ayant une forte capacité de résistance à la rupture, par exemple des aciers de grade compris entre 862 et 965 MPa (soit 125 et 140 ksi). [0003] On tonnait de nombreux types d'assemblage pour tubes pétroliers ou de gaz donnant des résultats satisfaisants du point de vue caractéristiques mécaniques et étanchéité, même dans des conditions sévères d'utilisation. Certains de ces assemblages font appel à des tubes, munis de filetages tronconiques males aux deux extrémités qu'on assemble au moyen de manchons ayant deux filetages tronconiques femelles correspondants. Ce mode d'assemblage présente l'avantage de rendre rigides les deux composants de l'assemblage, du fait de l'existence d'interférences positives que l'on peut créer entre filetage male et filetage femelle. On parle de joints filetés manchonnés, également dits T&C. [0004] Cependant le diamètre extérieur de ces manchons est plus élevé que celui des tubes correspondants et nécessite, quand ces assemblages sont utilisés dans les tubes de cuvelage, la réalisation de trous de forage de diamètre accru. Dans le cas de puits très profonds, d'une profondeur excédant 4000 m, le cuvelage va devoir descendre plus 2 profondément dans le puits, et il est connu de préférer des assemblages sans manchon, tels qu'enseignés dans les documents US-2992019, EP-0767335 ou encore US-2013/0015657. Dans ce cas, les tubes comportent chacun une extrémité munie d'un connecteur male et une deuxième extrémité munit d'un connecteur femelle. Les tubes sont assemblés bout à bout par des joints entre connecteur mâle et femelle. Ces assemblages sont désignés sous l'appellation « intégraux ». [0005] Pour répondre à des besoins accrus de résistance aux pressions internes et externes, il est connu du document US-4662659 un joint intégral pourvu de deux portions filetées étagées de part et d'autre d'une butée intermédiaire, cette butée intermédiaire étant conçue avec un angle négatif pour augmenter la résistance aux pressions. De plus, d'un côté de cette butée intermédiaire, ou de part et d'autre de cette butée intermédiaire, le document enseigne des zones d'étanchéité par interférence radiale entre surfaces coniques, dont les angles de conicité sont légèrement modifiés l'un par rapport à l'autre d'un angle y. Selon ce document, l'étanchéité est exclusivement assurée au niveau central, entre les deux portions filetées, à proximité de la butée intermédiaire. Le document US-2019-0040978 propose une alternative au document US-4662659, en spécifiant une géométrie particulière de ces étanchéités de part et d'autre de la butée intermédiaire, et en modifiant la forme du filetage et en choisissant un filetage à profil en queue d'aronde. [0006] TI est par ailleurs connu du document US-2017-0101830 un autre joint pourvu de deux portions filetées étagées de part et d'autre d'une butée intermédiaire. Selon ce document, une étanchéité est prévue entre une portion filetée et cette butée intermédiaire. Or la définition de cette étanchéité amenuise la performance et la capacité de la butée intermédiaire, de sorte que ce document enseigne de prévoir une surface de butée additionnelle au niveau de l'extrémité distale du connecteur mâle Alternativement, d'autres documents proposent de modifier le filetage pour compenser la moindre performance en compression de la butée intermédiaire. Ces filetages alternatifs sont alors dits en queue d'aronde et vissé de manière à obtenir un blocage entre elles des portions filetées. A cet effet, les portions filetées sont proposées avec une valeur de pas différente pour le flanc porteur et pour le flanc d'engagement, de sorte que l'hélice de ce filetage propose une largeur de dents qui augmente au fur et à mesure des tom-s d'hélice, d'une extrémité à l'autre, des creux définis entre les spires de cette hélice diminuant selon la même progression. Ainsi le vissage des portions filetées est réalisé jusqu'à obtenir des contacts entre flancs d'engagement, mais également entre flancs porteurs. Ce type de joint dit « selflocking wedge thread », bien que très performant est néanmoins très difficile à usiner et à maitriser au moment de l'assemblage. [0007] Malgré les diverses solutions déjà connues, il est alors apparu un besoin de faciliter 3 l'usinage d'une connexion intégrale qui soit propre à former des cuvelages pour des puits de grande profondeur, dont les performances de résistance aux cycles de pressions internes et pressions externes, ainsi que les tolérances en traction et compression soient néanmoins acquises en acceptant des tolérances d'usinage et d'assemblage inhérentes à l'univers des tubes pétroliers ou de gaz. En pratique, il est également apparu que la manière dont la graisse d'assemblage était appliquée sur les connexions était un facteur d'ordre 1 dans la réussite à la réalisation d'un joint. Le joint fileté selon l'invention permet de mieux tolérer les variations de manutention au moment de l'application d'une quantité de graisse. [0008] L'intérêt de l'invention est de proposer un joint intégral qui réponde à des exigences techniques proches de celles des joints à manchon, et qui permette d'avoir une efficacité proche de celle du tube. En particulier un joint selon l'invention peut avoir une efficacité égale à 96% de l'efficacité du tube. L'efficacité est en général définie comme étant le rapport de la section critique du joint sur la section d'une partie courante d'un tube entre les deux extrémités d'un composant. La section critique du joint est égale à la plus petite section critique du connecteur mâle ou du connecteur femelle. [0009] L'invention s'applique préférentiellement à des joints filetés de grand diamètre, notamment à des tubes de diamètre extérieur supérieur à 177,8 mm (7 pouces), de préférence supérieur à 254 mm (10 pouces), par exemple de 406,4 mm (16 pouces). [0010] L'invention propose un joint à tenue améliorée sous ces aspects. [0011] L'invention a pour objet un joint fileté tubulaire pour le forage et ou l'exploitation de puits d'hydrocarbures, comprenant un premier tube pourvu à une première extrémité distale d'un connecteur mâle et un deuxième tube pourvu à une deuxième extrémité distale d'un connecteur femelle, le connecteur mâle étant apte à être assemblé par vissage avec le connecteur femelle, le premier tube assemblé au deuxième tube définissent ensemble un axe longitudinal X, le connecteur mâle comportant, dans cet ordre depuis un bord libre de la première extrémité distale vers un corps de ce premier tube : une surface d'étanchéité interne mâle, une première portion filetée mâle, un épaulement de butée mâle, une surface d'étanchéité intermédiaire mâle, et une seconde portion filetée mâle, le connecteur femelle comportant une surface d'étanchéité interne femelle destinée à former une étanchéité interne par interférence radiale avec la première surface d'étanchéité mâle, une première portion filetée femelle engagée avec la première portion filetée mâle, un épaulement de butée femelle en contact de butée avec l'épaulement de butée mâle, une surface d'étanchéité intermédiaire femelle destinée à former une étanchéité intermédiaire par interférence radiale avec la surface d'étanchéité intermédiaire mâle, et une seconde portion filetée femelle engagée avec la deuxième portion filetée mâle, lorsque le joint est assemblé, le bord libre de la première extrémité distale étant à distance axiale (d) non nulle du connecteur femelle en position assemblée, les portions filetées mâles comportant chacune au moins une hélice pourvue d'un flanc porteur, un sommet de filet, un flanc d'engagement, un fond de filet, telles qu'un pas du flanc porteur LFLpI et un pas du flanc d'engagement SFLpI de la première portion filetée mâle, et respectivement un pas du flanc porteur LFLp2 et un pas du flanc d'engagement SFLp2 de la deuxième portion filetée mâle remplissent la condition suivante : [0012] [Math.1] SFL = LFLpl =SFL2 = LFLp 2 = kl P1 100131 Où kl est une constante pour au moins deux révolutions complètes de chacune des hélices. 100141 De préférence, les portions filetées femelles peuvent comporter chacune au moins une hélice pourvue d'un flanc porteur, un sommet de filet, un flanc d'engagement, un fond de filet, telles qu'un pas du flanc porteur LEthl et un pas du flanc d'engagement SELhl de la première portion filetée mâle, et respectivement un pas du flanc porteur LFLh2 et un pas du flanc d'engagement SFLb2 de la deuxième portion filetée mâle remplissent la condition suivante : 100151 IMath.21 SEL hi---- LFLJi1=BFIa,Z= LFL b2 k 2 100161 Où k2 est une constante pour au moins deux révolutions complètes de chacune des hélices. [0017] De préférence, les constantes kl et k2 peuvent être égales. [0018] Par exemple, la première portion filetée femelle peut comporter une gorge annulaire, cette gorge pouvant par exemple avoir une de largeur radiale inférieure à la constante k2, cette gorge étant à distance radiale des au moins deux révolutions complètes de l'hélice de la première portion filetée femelle définie plus haut. [0019] De préférence, l'hélice de la première portion filetée femelle peut être tronconique voire même exclusivement tronconique, par exemple de conicité comprise entre 5% et 15%, préférentiellement 8 % et 12 %. Dans ce cas, l'hélice de la première portion filetée mâle peut comporter une partie tronconique de conicité identique à celle l'hélice de la première portion filetée femelle, et une partie cylindrique à proximité de la surface d'étanchéité interne. [0020] Avantageusement, l'hélice de la deuxième portion filetée femelle peut être tronconique, de préférence exclusivement tronconique, par exemple de conicité comprise entre 5% et 15%, préférentiellement 8 % et 12 %. Dans c cas également, l'hélice de la deuxième portion filetée mâle peut comporter une partie tronconique de conicité identique à celle l'hélice de la deuxième portion filetée femelle, et une partie cylindrique à proximité de la surface d'étanchéité intermédiaire. [0021] De préférence, l'étanchéité interne peut être de type tore - cône, avec par exemple la surface d'étanchéité interne mâle qui est conique tandis que la surface d'étanchéité interne femelle comporte une portion torique. Avantageusement, l'étanchéité intermédiaire peut être d'un type différent de l'étanchéité interne. L'étanchéité intermédiaire peut être de type cône-cône, les surfaces d'étanchéité intermédiaires mâle et femelle étant alors coniques, en particulier de conicité sensiblement identique. [0022] Plus particulièrement, la surface d'étanchéité interne femelle peut comprendre, dans cet ordre du corps du deuxième tube vers la deuxième extrémité distale, un premier arc de cercle de rayon R1 et un second arc de cercle de rayon R2 tels que ces rayons remplissent la condition suivante : [0023] [Math.31 R1 REVENDICATIONSJoint fileté tubulaire pour le forage et ou l'exploitation de puits d'hydrocarbures, comprenant un premier tube (12) pourvu à une première extrémité distalc (121) d'un connecteur mâle (18) et un deuxième tube (14) pourvu à une deuxième extrémité distalc (142) d'un connecteur femelle (16), le connecteur mâle étant apte à être assemblé par vissage avec le connecteur femelle, le premier tube assemblé au deuxième tube définit ensemble un axe longitudinal (X), le connecteur mâle comportant, dans cet ordre depuis un bord libre (19) de la première extrémité distale vers un corps (120) de ce premier tube : une surface d'étanchéité interne mâle (25), une première portion filetée mâle (18a), un épaulement de butée mâle (22), une surface d'étanchéité intermédiaire mâle (27), et une seconde portion filetée mâle (18b), le connecteur femelle comportant une surface d'étanchéité interne femelle (26) destinée à former une étanchéité interne par interférence radiale avec la première surface d'étanchéité mâle, une première portion filetée femelle (16a) engagée avec la première portion filetée mâle, un épaulement de butée femelle (24) en contact de butée avec l'épaulement de butée mâle, une surface d'étanchéité intermédiaire femelle (28) destinée à former une étanchéité intermédiaire par interférence radiale avec la surface d'étanchéité intermédiaire mâle, et une seconde portion filetée femelle (16b) engagée avec la deuxième portion filetée mâle, lorsque le joint est assemblé, le bord libre (19) de la première extrémité distale étant à distance axiale (d) non nulle du connecteur femelle en position assemblée, les portions filetées mâles comportant chacune au moins une hélice pourvue d'un flanc porteur, un sommet de filet, un flanc d'engagement, un fond de filet, telles qu'un pas du flanc porteur LFLpl et un pas du flanc d'engagement SFLp1 de la première portion filetée mâle, et respectivement un pas du flanc porteur LFLp2 et un pas du flanc d'engagement SFLp2 de la deuxième portion filetée mâle remplissent la condition suivante : [Math.9] 1SFL = LFL = = -