Brevet FR3136031A1 — publié le 20231201

L’invention concerne un composant tubulaire (1) pour joint fileté tubulaire, ledit compostant tubulaire (1) comportant un corps principal (2) et un élément de connexion fileté (3), ledit élément de connexion fileté (3) s’étendant axialement depuis le corps principal (2) jusqu’à une extrémité libre (4) du composant tubulaire (1), l’élément de connexion fileté (3) comportant un filetage (6) hélicoïdal, le composant tubulaire (1) comportant une portion métallique (8) et une portion en matériau composite (7), et dans lequel la portion métallique (8) forme l’extrémité libre (4) du composant tubulaire (1), le filetage (6) hélicoïdal comportant une première portion filetée (11) et une deuxième portion filetée (12), la portion métallique (8) comportant la première portion filetée (11), la portion en matériau composite (7) comportant la deuxième portion filetée (12), la portion de matériau composite (7) étant en contact radial avec la portion métallique (8) au droit de la deuxième portion filetée (12). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Composant tubulaire comportant un élément de connexion fileté L’invention se rapporte au domaine des composants tubulaires et notamment des composants tubulaires destinés à être assemblés les uns aux autres pour être descendus dans les puits de gaz ou de pétrole pour constituer une garniture de forage, une colonne de tube de cuvelage ou de tubage ou encore une colonne de tube de production. Un composant tubulaire comporte au moins un élément de connexion fileté, cet élément de connexion fileté étant destiné à coopérer avec l’élément de connexion fileté d’un deuxième composant tubulaire afin d’assembler ces deux composants tubulaires ensemble pour constituer un joint fileté tubulaire. Le composant tubulaire peut être par exemple un tube de grande dimension (par exemple d’environ dix mètres de longueur), un manchon tubulaire (par exemple de quelques dizaines de centimètres de longueur), ou un accessoire de ces tubes (dispositif de suspension, pièce de changement de section, vanne de sécurité, connecteur pour tige de forage, etc.). Arrière-plan technologique Les composants tubulaires composites peuvent être créés par diverses méthodes de fabrication, et notamment une technique connue sous le nom d'enroulement filamentaire dans laquelle une fibre imprégnée de résine est enroulée en hélice autour d'un mandrin, et le composant tubulaire composite résulte de la couverture du mandrin par le matériau composite formé par la fibre imprégnée de résine. Par rapport aux composants tubulaires en métal tel que l'acier, les composants tubulaires composites sont considérablement plus légers. En outre, les composants tubulaires composites ne se corrodent pas ce qui est avantageux par exemple dans les applications sous-marines. Il est connu d’usiner les extrémités des composants tubulaires afin de former des filetages permettant de raccorder les composants tubulaires les uns aux autres. Toutefois, les raccords filetés dans le matériau composite ne conviennent pas aux applications impliquant des charges élevées En effet, un inconvénient des composants tubulaires composites par rapport aux composants tubulaires conventionnels en métal est que l'introduction de contraintes dans les extrémités des composants tubulaires composites peut être problématique, en particulier lorsque la contrainte est élevée. Idéalement, la connexion aux extrémités du composant tubulaire composite devrait être au moins aussi solide que le corps du composant tubulaire. Il est connu du document US 9,470,350 B2 des composants tubulaires réalisés en matériau composite comportant un corps principal en matériau composite associé à des raccords d’extrémité métalliques permettant de raccorder des composants tubulaires entre eux. Toutefois, comme indiqué dans ce document, un tel assemblage est complexe et présente une faiblesse notamment à l’interface composite/métal. Résumé Une idée à la base de l’invention est de fournir un composant tubulaire léger et présentant une bonne résistance mécanique aux contraintes. En particulier, une idée à la base de l’invention est de fournir un composant tubulaire composite comportant un connecteur métallique et présentant une résistance satisfaisante au niveau de l’interface composite/métal. Selon un mode de réalisation, l’invention fournit un composant tubulaire pour joint fileté tubulaire, ledit compostant tubulaire comportant un corps principal et un élément de connexion fileté, ledit élément de connexion fileté s’étendant axialement depuis le corps principal jusqu’à une extrémité libre du composant tubulaire, l’élément de connexion fileté comportant un filetage hélicoïdal, dans lequel le composant tubulaire comporte une portion métallique et une portion en matériau composite, et dans lequel la portion métallique forme l’extrémité libre du composant tubulaire, le filetage hélicoïdal comportant une première portion filetée et une deuxième portion filetée, la portion métallique comportant la première portion filetée, la portion en matériau composite comportant la deuxième portion filetée, la portion de matériau composite étant en contact radial avec la portion métallique au droit de la deuxième portion filetée. Grâce à ces caractéristiques, le composant tubulaire présente un poids et une résistance satisfaisants. La portion métallique procure une résistance aux contraintes importante au niveau du filetage hélicoïdal. Le fait qu’une portion du filetage, en l’occurrence la deuxième portion filetée, soit formée par la portion en matériau composite permet de maximiser la partie du composant tubulaire réalisée en matériau composite, permettant de minimiser le poids du composant tubulaire tout en conservant un bon comportement mécanique du fait de la première portion filetée formée par la portion métallique. Le contact radial entre la portion en matériau composite et la portion métallique au droit de la deuxième portion filetée permet d’agencer radialement une zone de liaison entre la portion métallique et la portion en matériau composite entre la portion métallique et ladite deuxième portion filetée. Ainsi, lorsque le composant tubulaire est dans un état monté avec un deuxième composant tubulaire fileté, ladite zone de liaison entre la portion métallique et la portion en matériau composite est radialement coincée entre une portion du deuxième composant tubulaire coopérant avec la deuxième portion filetée et la portion métallique. La zone liaison entre la portion métallique et la portion en matériau composite est ainsi maintenue mécaniquement stable et fiable face aux contraintes en étant coincée entre le deuxième composant tubulaire et la portion métallique. Dans un état monté, le composant tubulaire est associé à un deuxième composant tubulaire par coopération entre l’élément de connexion fileté du composant tubulaire et un deuxième élément de connexion fileté, ledit deuxième élément de connexion fileté état formé sur le deuxième composant tubulaire. Typiquement, dans un tel état monté, le filetage hélicoïdal du composant tubulaire est vissé avec un deuxième filetage hélicoïdal, ledit deuxième filetage hélicoïdal étant formé par le deuxième élément de connexion fileté. Un élément s’étendant axialement présente une composante axiale, c’est-à-dire selon un axe longitudinal du composant tubulaire. Ainsi, l’élément de connexion fileté s’étendant axialement depuis le corps principal jusqu’à une extrémité libre du composant tubulaire se développe le long de l’axe longitudinal du composant tubulaire entre le corps principal et l’extrémité libre du composant tubulaire. Le terme « matériau composite » désigne un matériau réalisé par la combinaison d'une matrice et de fibres de renforcement s'étendant dans la matrice. Ce terme inclut tout matériau plastique renforcé par des fibres. La matrice peut être réalisé par tout matériau liant approprié, y compris des résines thermodurcissables telles que des résines époxy ou polyester, ou encore certaines matières thermoplastiques. Les fibres de renforcement peuvent comprendre un ou plusieurs éléments parmi, par exemple, les fibres de verre, les fibres de carbone, les fibres de bore, les fibres de polyéthylène, les fibres de polypropylène, les fibres de polyamide, les fibres d’alumine et d'autres fibres synthétiques et organiques. Un tel matériau composite se présente sous la forme d’une bobine de matériau composite comportant un fil de fibres continu imprégné de résine. Ce fil de fibres continu est par exemple réalisé par tressage, filage, tissage ou tout autre méthode permettant d’obtenir une bobine de fibres pouvant être imprégnée de résine. De telles bobines peuvent également être formée à partir de fibres pré-imprégnées. Le terme « dent » permet d’illustrer schématiquement une section longitudinale du filetage, une dent désignant un tour de filet complet de 360° autour de l’axe de révolution du filetage. Selon des modes de réalisation, un tel composant tubulaire peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes. Selon un mode de réalisation, la portion métallique présente une première surface de liaison, la portion en matériau composite présente une deuxième surface de liaison, la première surface de liaison et la deuxième surface de liaison étant en contact et formant conjointement une zone de jonction entre la portion métallique et la portion en matériau composite, ladite zone de jonction présentant une composante radiale et une composante axiale. Grâce à ces caractéristiques, la liaison entre la portion métallique et la portion en matériau composite est réalisée selon une surface de contact importante, ladite liaison s’étendant à la fois radialement et axialement. La zone de jonction entre la portion métallique et la portion en matériau composite peut prendre de nombreuses configurations différentes. Selon un mode de réalisation, la zone de jonction est plane et inclinée par rapport à l’axe longitudinal du composant tubulaire. Autrement dit, la portion métallique comporte une première portion tronconique formant la première surface de liaison, la portion en matériau composite présente une deuxième portion tronconique formant la deuxième surface de liaison, lesdites première portion tronconique et deuxième portion tronconique étant en contact de manière à former la zone de jonction entre la portion métallique et la portion en matériau composite. Selon un mode de réalisation, la zone de jonction est en escalier le long de l’axe longitudinal du composant tubulaire. Autrement dit, la première surface de liaison est en escalier le long de l’axe longitudinal du composant tubulaire et la deuxième surface de liaison est en escalier le long de l’axe longitudinal du composant tubulaire. Selon un mode de réalisation, la zone de jonction est crénelée. Autrement dit, la première surface de liaison est crénelée et la deuxième surface de liaison est crénelée. Selon un mode de réalisation, la première surface de liaison comporte une alternance de surfaces planes et de gorges et la deuxième surface de liaison comporte une alternance de surface planes et de gorges, les surfaces planes de la première surface de liaison étant en contact avec un fond de gorges correspondantes de la deuxième surface de liaison et inversement. De préférence, la portion métallique présente une épaisseur radiale décroissante depuis une jonction entre la première portion filetée et la deuxième portion filetée et en s’éloignant axialement de l’extrémité libre du composant tubulaire. Grâce à ces caractéristiques, la zone de jonction peut être maximisée en présentant une composante axiale sans nécessiter d’augmentation de l’épaisseur radiale du composant tubulaire. De préférence, ladite diminution d’épaisseur radiale de la portion métallique est progressive. Une telle diminution progressive permet une transition douce entre la zone du composant tubulaire formée par la portion métallique et la zone du composant tubulaire formée par la portion en matériau composite, une telle transition douce ne génère pas de concentration des contraintes au niveau de la zone de jonction entre la portion métallique et la portion en matériau composite lorsque le composant tubulaire est soumis à des contraintes. Selon un mode de réalisation, le composant tubulaire comporte une première surface radiale et une deuxième surface radiale, la première surface radiale étant radialement opposée à la deuxième surface radiale, le filetage étant agencé sur ladite première surface radiale, la portion métallique formant au moins une partie de ladite deuxième surface radiale. Selon un mode de réalisation, la première surface radiale est radialement à l’extérieur de la deuxième surface radiale. Autrement dit, selon ce mode de réalisation, l’élément de connexion fileté est un élément de connexion mâle. Selon un mode de réalisation, la première surface radiale est radialement à l’intérieur de la deuxième surface radiale. Autrement dit, selon ce mode de réalisation, l’élément de connexion fileté est un élément de connexion femelle. Selon un mode de réalisation, une extrémité de la portion métallique opposée à l’extrémité libre du composant tubulaire présente une épaisseur radiale minimale de la portion métallique. Selon un mode de réalisation, la deuxième surface radiale du composant tubulaire est partiellement formée par l’extrémité de la portion métallique opposée à l’extrémité libre du composant tubulaire. Selon un mode de réalisation, l’extrémité de la portion métallique opposée à l’extrémité libre du composant tubulaire est axialement décalée par rapport à une jonction entre la première portion filetée et la deuxième portion filetée. Selon un mode de réalisation, une extrémité de la portion métallique opposée à l’extrémité libre du composant tubulaire est axialement décalée par rapport à une jonction entre le corps principal et l’élément de connexion fileté. Grâce à ces caractéristiques, les zones de transition dans le composant tubulaire que sont ladite extrémité du filetage, l’extrémité de la portion métallique ou encore la jonction entre la première portion filetée et la deuxième portion filetée sont réparties axialement dans le composant tubulaire. Cette répartition axiale des zones de transition assure une bonne résistance mécanique au composant tubulaire, en particulier car cela évite la présence d’une zone présentant une faible résistance mécanique du fait de la présence d’une pluralité de zones de transition axialement regroupées. Selon un mode de réalisation, une longueur axiale de la portion métallique est supérieure à une longueur axiale de l’élément de connexion fileté. Autrement dit, selon un mode de réalisation, l’extrémité de la portion métallique opposée à l’extrémité libre du composant tubulaire est axialement située dans le corps du composant tubulaire. Grâce à ces caractéristiques, on s’assure que l’extrémité de la portion métallique est décalée axialement avec l’extrémité du filetage, avec les avantages qui en découlent expliqués ci-dessus. En outre, l’extrémité de la portion métallique située dans le corps du composant tubulaire permet de positionner la zone de concentration des contraintes imposée par la transition entre la fin de la portion métallique et la portion en matériau composite dans une zone ou la portion en matériau composite présente la plus grande épaisseur et donc la meilleure résistance mécanique. Dès lors, cette zone de concentration des contraintes présente un impact limité sur la résistance mécanique du composant tubulaire. Grâce à ces caractéristiques également, la portion de matériau composite formant la deuxième portion filetée est intégralement intercalée entre ladite deuxième portion filetée et la portion métallique. Ainsi, la zone de liaison entre la portion en matériau composite et la portion métallique est bien soutenue mécaniquement par la coopération entre les filetages du composant tubulaire et du deuxième composant tubulaire avec lequel le composant tubulaire est associé pour former le joint fileté tubulaire. Selon un mode de réalisation, la première portion filetée comporte au moins trois dents. Grâce à ces caractéristiques, le composant tubulaire présente une bonne résistance mécanique. En effet, la demanderesse a constaté que les premières dents du filetage en partant de l’extrémité libre du composant tubulaire étaient sujettes à des contraintes particulièrement importantes. Ainsi, la réalisation de ces premières dents dans la portion métallique offre des propriétés de résistance mécanique importantes. Selon un mode de réalisation, la longueur axiale de la deuxième portion filetée est au moins égale à 25% d’une longueur axiale du filetage. Grâce à ces caractéristiques, on s’assure que la jonction entre la première portion filetée et la deuxième portion filetée n’est pas située trop proche de l’extrémité du filetage opposée à l’extrémité libre du composant tubulaire. En effet, la demanderesse a constaté que, de manière analogue à l’extrémité du filetage située proche de l’extrémité libre du composant tubulaire, l’extrémité du filetage opposée à l’extrémité du libre du composant tubulaire est également sujette à des contraintes importantes. Ainsi, grâce à la longueur axiale de la deuxième portion filetée telle que définie ci-dessus, on s’assure que la jonction entre la première portion filetée et la deuxième portion filetée, qui constitue une zone de transition et donc une zone mécaniquement faible, n’est pas située dans une zone du filetage fortement sollicitée, typiquement l’extrémité du filetage opposée à l’extrémité libre du composant tubulaire. Autrement dit, la demanderesse a constaté que les deux extrémités du filetage étaient sujettes à des contraintes importantes. Dès lors, grâces aux caractéristiques ci-dessus, la demanderesse s’assure que les zone de transition entre la portion métallique et la portion en matériau composite, typiquement la jonction entre la première portion filetée et la deuxième portion filetée ou encore la jonction entre l’extrémité de la portion métallique opposée à l’extrémité libre du composant tubulaire et la portion en matériau composite, qui sont des zones mécaniquement plus fragiles, ne sont pas situées dans des zones du composant tubulaire sujettes à des contraintes importantes. Selon un mode de réalisation, la deuxième portion filetée se développe sur une épaisseur radiale comprise entre 25% et 75% d’une épaisseur radiale sur laquelle se développe le filetage. Grâce à ces caractéristiques, la jonction entre la première portion filetée et la deuxième portion filetée est agencée sensiblement au centre du filetage, évitant ainsi que ladite jonction ne soit située dans une zone de forte contrainte. Selon un mode de réalisation, le corps du composant tubulaire comporte un revêtement interne, ledit revêtement interne étant en matériau anti-corrosion. Selon un mode de réalisation, la portion métallique se développe axialement dans le corps du composant tubulaire sur une longueur axiale supérieure ou égale à 50% de la longueur axiale du filetage. Grâce à ces caractéristiques, la jonction entre la portion métallique et la portion en matériau composite est douce et l’extrémité de la portion métallique est suffisamment éloignée de l’extrémité du filetage opposée à l’extrémité libre du composant tubulaire pour assurer une bonne répartition des zones mécaniquement fragiles comme expliqué ci-dessus. De préférence, la portion métallique se développe axialement dans le corps du composant tubulaire sur une longueur axiale inférieure à deux fois la longueur de l’élément de connexion filetée. En effet, afin de conserver un poids satisfaisant pour le composant tubulaire, il convient de maximiser la portion en matériau composite par rapport à la portion métallique, la portion métallique ne devant donc pas s’étendre trop loin axialement dans le corps principal du composant tubulaire. Autrement dit, le corps principal du composant tubulaire est principalement formé par la portion en matériau composite, principalement signifiant qu’il est intégralement formé par la portion en matériau composite à l’exception d’une petite zone formée par la portion métallique, ladite petite zone présentant une épaisseur radiale réduite du fait de l’épaisseur radiale décroissante de la portion métallique et une longueur axiale limitée comparativement à la longueur axiale du corps principal. Selon un mode de réalisation, la portion métallique est réalisée dans un métal dont le module d’Young (par exemple entre 180 et 220 Gpa) est supérieur au module d’Young du matériau composite (par exemple entre 20 et 150 Gpa). Selon un mode de réalisation, la portion métallique peut être réalisée en acier. Selon un mode de réalisation, le filetage est réalisé sur une surface externe du composant tubulaire ou sur une surface interne du composant tubulaire. L’invention fournit ainsi un composant tubulaire léger du fait de la grande proportion en matériau composite. Ce composant tubulaire présente en outre de bonnes caractéristiques de résistance mécanique du fait de la présence de la portion métallique. Ce composant tubulaire présente en outre une liaison entre la portion métallique et la portion en matériau composite mécaniquement fiable vis-à-vis des contraintes du fait du positionnement de cette liaison radialement entre la portion métallique et un deuxième composant tubulaire et du décalage axial des zones de transition représentant des zones mécaniquement fragiles. Selon un mode de réalisation, l’invention fournit aussi un joint fileté tubulaire comprenant un premier composant tubulaire équipé d’un premier élément de connexion fileté et un deuxième composant tubulaire équipé d’un deuxième élément de connexion fileté, le deuxième élément de connexion fileté étant vissé avec le premier élément de connexion fileté, au moins un des premier composant tubulaire et deuxième composant tubulaire étant réalisé comme précité. Selon un mode de réalisation, le premier composant tubulaire et le deuxième composant tubulaire sont réalisés comme précités. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés. La représente une vue en coupe partielle d’un composant tubulaire. La est une vue en coupe partielle d’un composant tubulaire de la associé à un deuxième composant tubulaire afin de former un joint fileté tubulaire. La est une vue en coupe partielle d’un composant tubulaire de la associé à une variante de deuxième composant tubulaire afin de former une variante de joint fileté tubulaire Composant tubulaire (1) pour joint fileté tubulaire, ledit compostant tubulaire (1) comportant un corps principal (2) et un élément de connexion fileté (3), ledit élément de connexion fileté (3) s’étendant axialement depuis le corps principal (2) jusqu’à une extrémité libre (4) du composant tubulaire (1), l’élément de connexion fileté (3) comportant un filetage (6) hélicoïdal, le composant tubulaire (1) comportant une portion métallique (8) et une portion en matériau composite (7), et dans lequel la portion métallique (8) forme l’extrémité libre (4) du composant tubulaire (1), le filetage (6) hélicoïdal comportant une première portion filetée (11) et une deuxième portion filetée (12), la portion métallique (8) comportant la première portion filetée (11), la portion en matériau composite (7) comportant la deuxième portion filetée (12), la portion de matériau composite (7) étant en contact radial avec la portion métallique (8) au droit de la deuxième portion filetée (12). Composant tubulaire selon la revendication 1, dans lequel la portion métallique (8) présente une première surface de liaison (14), la portion en matériau composite (7) présente une deuxième surface de liaison (15), la première surface de liaison (14) et la deuxième surface de liaison (15) étant en contact et formant conjointement une zone de jonction (16) entre la portion métallique (8) et la portion en matériau composite (7), ladite zone de jonction (16) présentant une composante radiale et une composante axiale. Composant tubulaire selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la portion métallique (8) présente une épaisseur radiale décroissante depuis une jonction (10) entre la première portion filetée (11) et la deuxième portion filetée (12) et en s’éloignant axialement de l’extrémité libre (4) du composant tubulaire (1). Composant tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le composant tubulaire (1) comporte une première surface radiale (5) et une deuxième surface radiale (9), la première surface radiale (9) étant radialement opposée à la deuxième surface radiale (9), le filetage (6) étant agencé sur ladite première surface radiale (5), la portion métallique (8) formant au moins une partie de ladite deuxième surface radiale (9). Composant tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une extrémité de la portion métallique (8) opposée à l’extrémité libre (4) du composant tubulaire (1) est axialement décalée par rapport à une jonction (10) entre la première portion filetée (11) et la deuxième portion filetée (12). Composant tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une extrémité de la portion métallique (8) opposée à l’extrémité libre (4) du composant tubulaire (1) est axialement décalée par rapport à une jonction entre le corps principal (2) et l’élément de connexion fileté (3). Composant tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une longueur axiale (24) de la portion métallique (8) est supérieure à une longueur axiale (25) de l’élément de connexion fileté (3). Composant tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la première portion filetée (11) comporte au moins trois dents. Composant tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel une longueur axiale (19) de la deuxième portion filetée (12) est au moins égale à 25% d’une longueur axiale (20) du filetage (6). Composant tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième portion filetée (12) se développe sur une épaisseur radiale comprise entre 25% et 75% d’une épaisseur radiale sur laquelle se développe le filetage (6). Composant tubulaire selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le corps principal (2) du composant tubulaire (1) comporte un revêtement interne (27), ledit revêtement interne (27) étant en matériau anti-corrosion.