Elément de tube intérieur en résine synthétique pour appareil carottier à double tube et procédé de fabrication de cet élément de tube

La présente invention concerne un élément de tube intérieur pour appareil carottier à double tube, constitué d'un tronçon de tube de section sensiblement constante, en résine synthétique, muni à ses extrémités de raccords destinés à le relier à d'autres éléments de tube intérieur.

Elle a également pour objet un procédé de fabrication d'éléments de tube intérieur du type susdit, munis de raccords permettant leur assemblage à d'autres éléments de tube intérieur.

Les appareils carottiers à double tube sont des appareils couramment utilisés en forage minier ou pétrolier en vue de prélever un échantillon des couches géologiques traversées par l'appareil carottier. Ils comprennent, d'une part, un tube extérieur constitué d'un train de tiges creuses extérieur, entraînant une couronne de forage et, d'autre part, un tube intérieur constitué d'un train d'éléments de tube intérieur, verrouillé longitudinalement par une de ses extrémités au tube extérieur qui peut tourner autour de ce tube intérieur, muni à son autre extrémité d'un manchon extracteur de carotte. Le tube intérieur est généralement constitué d'acier.

On connaît par le brevet américain 3 092192 un appareil carottier, comportant un tube extérieur en acier, un tube intérieur réalisé également en acier et éventuellement composé de deux coquilles semi-tubulaires ainsi qu'un troisième tube concentrique, entièrement en résine synthétique, destiné à envelopper et à protéger une carotte de sondage.

L'inconvénient majeur de ces appareils carottiers à triple tube appelés couramment « liners est leur encombrement. La présence d'un troisième tube en résine synthétique réduit la section de l'appareil carottier disponible pour accueillir la carotte de sondage. Or, les résultats d'analyses lors d'une prospection minière ou pétrolière sont d'autant plus précis que la section de la carotte de sondage est plus grande. En outre, les appareils à triple tube sont de construction relativement difficile puisqu'il faut adapter les dimensions des appareils carottiers aux tubes de matière plastique ou vice-versa. Les tolérances de fabrication sont sévères puisqu'il faut que le tube en matière plastique adhère parfaitement au tube intérieur en acier.

On connaît aussi par le brevet américain n° 3 874 465 un appareil carottier à triple tube qui est analogue à celui décrit ci-dessus, mais dont le tube intérieur est constitué de deux coquilles semi-tubulaires en résine synthétique, armées de fibres de verre. Les coquilles semi-tubulaires sont garnies intérieurement d'un troisième tube en caoutchouc synthétique.

Comme les appareils carottiers à triple tube en acier décrits ci-dessus, les appareils carottiers à triple tube en résine synthétique ont le désavantage d'être encombrants et donc de ne permettre le prélèvement que d'une carotte de sondage de section plus petite que celle d'une carotte obtenue à l'aide d'un carottier double, et ce, pour un appareil carottier de diamètre extérieur identique.

Un deuxième inconvénient des appareils carottiers connus à triple tube en matière plastique réside en leur fabrication difficile. Dans une première étape il faut former un tube en résine synthétique armé de fibres de verre. Il faut ensuite scier le tube dans le sens longitudinal de manière à former deux coquilles semi-tubulaires. En sciant le tube il se forme inévitablement un nuage de poussière de résine synthétique chargé de fines particules de fibres de verre, qui présentent non seulement le danger d'irriter les voies respiratoires, mais aussi l'inconvénient de provoquer des démangeaisons surtout le corps. De plus, ces particules de fibre de verre ont la réputation d'être cancérigènes.

Un troisième inconvénient des appareils carottiers précités réside en leur faible résistance à l'éclatement.

Les carottes de sondage prélevées en puits profonds dans des couches géologiques riches en éléments volatils contiennent des gaz adsorbés ou occlus, soumis à des pressions considérables, auxquelles doit pouvoir résister le tube intérieur de l'appareil carottier lorsqu'on remonte celui-ci. Dès que l'appareil carottier est ramené en surface, on dégage la carotte de sondage en détachant et en retirant les coquilles semi-tubulaires. Ces coquilles semi-tubulaires contiennent une gaine de caoutchouc qui, en se déformant, permet aux gaz de s'échapper. Cette gaine de caoutchouc forme autour de la carotte de sondage une enveloppe protectrice qui empêche toute détérioration de la carotte, mais elle ne permet pas de conserver tous les éléments volatils dans celle-ci.

La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients décrits ci-dessus tout en assurant une protection parfaite et une manutention aisée des carottes de sondage.

La présente invention a pour objet un élément de tube intérieur pour appareil carottier à double tube, constitué d'un tronçon de tube de section sensiblement constante, en résine synthétique, muni à ses extrémités de raccords destinés à le relier à d'autres éléments de tube intérieur, cet élément étant essentiellement caractérisé en ce que le tronçon de tube susdit est constitué entièrement de résine synthétique armée de fibres et en ce que le tube susdit chevauche, à chacune de ses extrémités, une partie des raccords présentant une surface rugueuse accrochée aux fibres précitées.

Dans une forme de réalisation, les raccords susdits comprennent une surface munie d'une série de stries destinées à accrocher les fibres avantageusement torsadées.

Dans une forme de réalisation plus particulière, le raccord susdit comprend une bague munie d'un moletage destiné à accrocher les fibres susdites mises en nappe.

Ces raccords sont avantageusement des nip- pies en acier, disposés coaxialement au tronçon de tube à chacune des extrémités de ce tronçon et incorporés à celui-ci, de manière que le diamètre intérieur de la partie chevauchée par le tube soit égal au diamètre intérieur du tronçon de tube.

Le tronçon de tube lui-même est réalisé avantageusement en résine époxy, armée de préférence de nappes de fibres de verre.

L'invention a pour objet également un procédé de fabrication des éléments de tube intérieur pour carottier à double tube décrits ci-dessus, ce procédé étant essentiellement caractérisé en ce qu'on dispose sur un mandrin cylindrique de section constante, tournant autour de son axe longitudinal, à une distance prédéterminée, correspondant à la longueur de l'élément de tube à réaliser, deux raccords, dont une partie présente un diamètre intérieur sensiblement identique à celui du mandrin, ainsi qu'une surface extérieure rugueuse, et en ce qu'on enroule hélicoïdalement, autour dudit mandrin, des fibres enrobées de résine synthétique, en recouvrant également la partie rugueuse des raccords susdits.

Selon une particularité de l'invention, on enroule les fibres sous forme de nappes tissées ou non tissées de fibres torsadées entrecroisées autour du mandrin, de manière que l'angle de croisement des fibres soit compris entre 40 et 60 °C.

Selon une autre particularité de l'invention, on dispose sur le mandrin précité, deux nipples de raccord en acier munis chacun d'une bague d'accrochage qui présente un diamètre intérieur sensiblement identique à celui du mandrin et une surface extérieure munie d'un moletage, on enroule hélicoïdalement sur le mandrin et sur chaque bague susdite des nappes de fibres enrobées de résine synthétique.

On a pu constater de manière surprenante que les éléments de tube intérieur selon l'invention, réalisés en résine synthétique renforcée de fibres, offrent une résistance à l'éclatement, à l'écrasement et à la traction tout à fait comparable à celle d'un tube intérieur réalisé en acier, malgré les températures élevées qui règnent dans les puits de forage où sont utilisés les appareils carottiers.

D'autres détails et particularités de l'invention apparaîtront au cours de la description des dessins annexés qui représentent schématiquement et à titre d'illustration non limitative, une forme de réalisation d'un élément de tube intérieur selon l'invention et qui illustrent un procédé de fabrication de cet élément de tube.

Dans ces dessins :

• la figure 1 représente une coupe longitudinale d'un élément de tube intérieur selon l'invention muni de nipples de raccord taraudés ;
• la figure 2 montre une vue en perspective d'une section de tube contenant une section de carotte,
• la figure 3 est une vue en perspective d'une machine destinée à fabriquer un élément de tube intérieur suivant l'invention ;
• la figure 4 est une coupe longitudinale d'un élément de tube en cours de fabrication dans la machine représentée à la figure 3 ;
• la figure 5 est une coupe longitudinale analogue à celle de la figure précédente d'un élément de tube entièrement terminé, et
• la figure 6 est une coupe longitudinale d'un appareil carottier à double tube muni d'un élément de tube intérieur suivant l'invention.

L'élément de tube intérieur 1 pour carottier à double tube selon l'invention, montré à là figure 1, consiste en un tronçon de tube rigide 2 en résine époxy, muni à ses extrémités d'un nipple de raccord taraudé, en acier, femelle 3 et d'un nipple de raccord taraudé, en acier, mâle 4.

La section du tube est sensiblement constante. La résine époxy est armée de fibres torsadées 5. L'élément de tube intérieur 1 chevauche, à chacune de ses extrémités, une partie d'un raccord en acier 3, 4 présentant une surface rugueuse 6 accrochée aux fibres torsadées précitées. Les fibres torsadées 5 sont avantageusement mises en nappes tissées ou non tissées. Les raccords 3, 4 susdits comprennent une bague 13 munie d'un moletage.

Ces raccords 3, 4 sont des nipples en acier disposés coaxialement à l'élément ou tronçon de tube 1 à chacune des extrémités de cet élément 1. Les nipples sont incorporés à l'élément de tube 1 de manière que le diamètre intérieur de la partie chevauchée par l'élément de tube soit égal au diamètre intérieur de cet élément.

Dès que l'appareil carottier est ramené en surface et sans qu'il soit nécessaire de dégager la carotte de sondage de coquilles semi-tubulaires, on débite l'élement de tube intérieur 1 avec la carotte de sondage qu'il contient en sections 7 de longueur appropriée au moyen d'un outil peu encombrant, tel qu'une scie circulaire portative 8 (figure 2).

Les sections 7 de tube intérieur 1 peuvent être utilisées comme boîtes à carottes pour le transport et la conservation des carottes, aussi bien avant qu'après le sectionnement dans le sens longitudinal.

Pour ce faire, les sections 7 de tube intérieur 1 peuvent être bouchées à leurs extrémités par des embouts 9.

La machine montrée à la figure 3 et désignée dans son ensemble par la notation de référence 10 est destinée à fabriquer un élément de tube suivant l'invention. Elle comprend un mandrin 11 pouvant tourner autour de son axe longitudinal Il'. Ce mandrin 11 est entraîné en rotation par une roue dentée 12.

Sur le mandrin 11 sont disposés, à une distance prédéterminée correspondant à la longueur désirée du tube, un nipple de raccord femelle 3 ainsi qu'un nipple de raccord mâle 4 comportant chacun une bague d'accrochage 13 qui présente un diamètre intérieur sensiblement identique à celui du mandrin 11 ainsi qu'une surface extérieure 14 munie d'un moletage 15. Ces bagues 13 sont disposées face à face le long du mandrin 11, comme montré à la figure 3.

Les rainures du moletage 15 correspondent au diamètre des fibres torsadées 16 qui sont enroulées hélicoïdalement sur le mandrin 11, pour rendorcer le corps de l'élément de tube intérieur. Les fibres torsadées 16 sont constituées par un très grand nombre de brins de fibres de verre. On met les fibres torsadées éventuellement en nappes 17 et on les enrobe de résine époxy en les plongeant dans un bain 18. On les enroule ensuite hélicoïdalement sur le mandrin 11 de la machine 10 de manière à former un certain angle de croisement a compris entre 40 et 60° en les superposant en couches homogènes. Les nappes 17 sont guidées par un coulisseau 19. On utilise avantageusement une résine époxy à base d'oxyde d'éthylène ou d'épichlorhydrine et de Bisphénol A.

L'angle de croisement détermine la résistance du tube aux efforts de traction, d'une part, et à l'éclatement, d'autre part.

Plus l'angle de croisement est grand, plus importante sera la résistance à la traction, mais plus faible par contre sera la résistance à l'éclatement.

Pour un tube intérieur de diamètre moyen, soit 12 centimètres, on choisira de préférence un angle de croisement de 55°. Cet angle permet de résister à des efforts de traction supérieurs à trois tonnes.

Pour faciliter le durcissement de la résine époxy précitée, on pulvérise un durcisseur à base d'une solution aqueuse d'un peroxyde, régulièrement sur toute la surface de l'élément de tube au cours de sa fabrication. Les nappes de fibres 17 sont enroulées sur le mandrin 11 de manière à recouvrir suivant les stries les bagues moletées 13 des nipples de raccord 3, 4 de manière à encastrer solidement ceux-ci dans le corps de l'élément de tube 1, comme montré à la figure 5.

Comme les nappes 17 de fibres de verre offrent une résistance à la traction exceptionnelle, elles conféreront aux éléments de tubes susdits une résistance tout à fait comparable à celle d'un tube d'acier, non seulement vis-à-vis de l'éclatement et l'écrasement, mais également en traction.

Lors du repêchage de l'appareil carottier, le tube intérieur est soumis parfois à des sollicitations énormes.

En effet, l'effort de traction à exercer sur l'appareil carottier 20 pour détacher une carotte prélevée dans un sol rocheux peut être très important. Cet effort de traction est fourni en soulevant l'appareil carottier 20 tout entier, y compris les tubes intérieur 1 et extérieur 21 (fig. 6). Alors que le tube extérieur 21 en acier remonte librement sans se déformer irréversiblement, le tube intérieur 1 est calé à une extrémité par le manchon extracteur de carotte 22 à la base de la carotte de sondage. Comme il est fixé à son autre extrémité au tube extérieur 21, par un verrou, le tube intérieur sera soumis à une traction importante et sera inévitablement étiré d'une longueur correspondant à la distance prévue entre le manchon extracteur de carotte 22 et la couronne de fo-rage 23 pour la circulation du fluide de forage.

En s'étirant, le tube intérieur 1 permet au manchon extracteur de carotte 22 de prendre appui sur un épaulement 24 prévu sur la couronne de forage 23. Le tube extérieur 21 constitué entièrement en acier peut transmettre à cette couronne des efforts de traction bien plus importants que le tube intérieur 1.

Les efforts de traction importants à mettre en jeu pour détacher la carotte du manchon extracteur de carotte 22 sont appliqués sur la carotte par l'intermédiaire de cet épaulement 24 qui est solidaire du tube extérieur 21.

L'allongement du tube intérieur 1 correspond naturellement à la distance séparant le manchon extracteur de carotte 22 de l'épaulement prévu sur la couronne de forage, cette distance étant prévue pour la circulation du liquide de forage vers la couronne de forage.

Par leur ancrage sur les fibres de verre torsadées, les nipples de raccord de grandeur usuelle (4 pouces) sont capables de résister à des tractions énormes de trois à dix tonnes pouvant survenir lors de forages profonds, sans risque de cisaillement ou de déformation, malgré les températures élevées régnant dans les puits de forage où ces tubes sont utilisés. Ces températures peuvent atteindre 80°C pour un forage d'environ 2 000 m de profondeur et même plus de 100°C pour un forage d'environ 3000m de profondeur.

La résine synthétique renforcée de fibres de verre présente un module de Young faible par rapport à celui de l'acier. Lors de l'utilisation d'un élément de tube intérieur en résine synthétique, le tube soumis à une traction importante se déformera bien avant les nipples de raccord en acier taraudés, de manière à ce que ceux-ci ne se détériorent pas et puissent être réutilisés.

Dans ce but, les nipples en acier 3 et 4 sont enlevés, en sectionnant l'élément de tube, lorsque celui-ci est remonté avec la carotte de sondage, lors du repêchage de l'appareil carottier.

Les résidus de résine qui adhèrent aux nipples sont éliminés par chauffage et les nipples de raccord sont prêts pour être réutilisés.

Les avantages des éléments de tube intérieurs décrits ci-dessus sont :

• - absence de problèmes de corrosion ;
• - homogénéité accrue des tubes au point de vue résistance ;
• - possibilité de transport d'une carotte de sondage non remaniée, telle qu'elle a été forée ;
• - simplicité de fabrication : le diamètre intérieur des éléments de tube correspond exactement au diamètre du mandrin. Le diamètre extérieur peut varier dans des limites assez larges puisqu'il n'est soumis qu'à une seule contrainte, à savoir, permettre un passage suffisant pour la circulation du liquide de forage ;
• - possibilité de carottage sur chantier pour une analyse immédiate par les géologues ;
• - utilisation d'un outillage portable ;
• - possibilité de récupération des filets de raccord en cas d'utilisation de nipples de raccord en acier.

Il est évident que l'invention n'est pas exclusivement limitée à la forme de réalisation représentée et que bien des modifications peuvent être apportées dans la forme, la disposition et la constitution de certains des éléments intervenant dans sa réalisation à condition que ces modifications ne soient pas en contradiction avec l'objet de chacune des revendications suivantes.