Brevet FR2039357A1 — publié le 19710115

la présente invention se rapporte à des flotteurs de sûreté pour tiges de forage. Dans le forage de quelques puits de pétrole.et/ou de gaz, il est de pratique courante d'utiliser de l'air comme fluide de fo-5 rage lequel est pompé vers le tas au travers du train de tiges de forage, au travers des outils de forage ou trépan, et dans l'espace annulaire à l'extérieur du train de forage pour entraîner les découpures ou débris de forage vers la surface. Dans un tel puits, une mise en feu peut être causée lorsque le gaz combusti-10 ble ou le pétrole est rencontré. Si la mise en feu n'est pas détectée, celle-ci est augmentée par le pompage continu de l'air qui aide à la combustion et il peut en résulter des conséquences graves. Dans le train de forage il est ordinairement utilisé ce qu'on 15 appelle un flotteur de tiges de forage qui comprend une soupape agencée pour être normalement fermée pendant la descente dudit train de forage dans le trou de puits pour empêcher le passage ■vers le haut de l'air et des débris de forage dans ledit train de forage, mais la soupape étant maintenue ouverte par l'écoulement 20 vers le bas du fluide de forage pendant le forage. Cependant, lorsque la circulation du fluide de forage est interrompue, la soupape se ferme automatiquement pour empêcher le retour de l'écoulement du fluide de forage au travers des outils de forage ou trépan dans le train de forage. Si une mise en feu dans le trou de 25 puits est détectée, la circulation de l'air de forage peut être arrêtée afin de ne pas.fournir ainsi de l'air au feu, et, en même temps, la soupape se fermera automatiquement. Cependant, jusqu'à aujourd'hui, il n'existait pas de moyen satisfaisant pour couper automatiquement l'écoulement de l'air 30 vers le trou de forage lorsque la mise en feu se déclarait* la présente invention fournit une soupape à flotteur de tiges de forage qui est agencée pour se"fermer automatiquement dès la naissance d'un feu au fond du trou. Plus particulièrement, la présente invention utilise un flot-35 teur de tiges de forage modifié de telle façon qu'un boisseau de soupape se déplacera d'une position normale vers une seconde position en engagement avec la tête de soupape à flotteur. En effectuant ce qui précède, un boisseau ayant sur lui le siège de soupape à.flotteur usuel est fixé dans une position ini-40 tiale par un milieu agissant en réponse à la. chaleur pour relâcher 70 14640 2 2039357 ledit boisseau, de telle façon que celui-ci est déplacé par la pression du fluide vers une seconde position d'engagement avec la tête de soupape, alors que cette dernière est dans sa position ouverte, coupant de ce fait 11 écoulement ou circulation de l'air 5 dans le trou du puits au travers du train de tiges et provoquant une augmentation dans la pression d'air de pompage de l'air à la surface pour indiquer à 1*ouvrier qu'il y a un feu dans le trou du puits. D'autres objets et avantages de la présente invention seront 10 décrits ci-après ou apparaîtront clairement à tous ceux qui connaissent cette technique et les nouvelles caractéristiques de celle-ci seront définies en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels : La figure 1 est une vue en coupe longitudinale représentant 15 le flotteur de tiges de forage dans la position fermée normale. la figure 2 est une vue correspondant à la figure 1, mais représentant la soupape ouverte. la figure 3 est une vue en coupe transversale prise le long de la ligne 3-3 de la figure 1. 20 La figure 4 est une vue en coupe transversale prise le long de la ligne 4-4 de la figure 1, et La figure 5 est une vue en coupe longitudinale représentant la soupape en condition fermée de secours. En se référant aux dessins, un mécanisme de soupape Y est in-25 corporé dans un train de tiges de forage ou de masses-tiges D qui est adapté pour s'étendre vers le sommet du trou de puits, et au travers duquel le fluide de forage est pompé vers le bas lorsque ce train de tiges est mis en rotation pour faire tourner un outil de forage ou trépan sur son- extrémité inférieure, le raccordement 30 du trépan étant indiqué par la référence B. La soupape Y peut être incorporée a tout emplacement approprié le long'du train de tiges de forage D, mais, tel que représenté ici, elle est montée sur un court raccord 10 de masse-tige de forage ordinairement placé juste au-dessus du raccord de trépan Le raccord 10 de masse-35 tige de forage a un alésage élargi 11 fournissant une paroi cylindrique et un épaulement 12 radial inférieur. Comme représenté, le raccord 10 a une extrémité mâle filetée 13 engagée dans le joint taraudé 14 supérieur du raccord B de trépant L'extrémité supérieure du raccord 10 est formée d'un joint taraudé 15 fixé à l'extré-40 mité mâle filetée inférieure 16 de la Masse-tige de forage avoi- t 70 14640 3 2039357 sinante ou section de tige 17. L'épaulement inférieur 12 et l'extrémité inférieure 18 de la section de tige où de masse-tige 17 fournissent des embouts espacés axialement entre lesquels. 1'ensemble de soupape V, que l'on va décrire maintenant, est disposé. 5 L'ensemble de soupape V comprend un corps 20 agencé, pour s'adapter dans l'alésage 11 de la masse-tige 10, et la longueur du corps 20 peut être légèrement moindre que la distance entre les épaulements 12 et 18. Comme représenté, le corps 20 comprend, une partie cylindrique supérieure 21 prévue avec des moyens de bague 10 d'étancheité, tels que des joints toriques 22 pour l'étanchéité de l'engagement à 1'intérieur de l'alésage 11 pour empêcher la dérivation du fluide vers l'extérieur du corps 20 et l'usure érosive résultante. A son extrémité inférieure, le corps 20 a une partie cylindri-15 que inférieure agencée pour d'adapter dans l'alésage 11. D'autre part, le corps 20 peut être d'un diamètre inférieure à l'alésage 11. : Intérieurement, le corps est prévu avec une chambre de soupape 24 ayant une surface conique amincie vers le haut 25 constituant 20 un siège de soupape qui entoure un passage d'écoulement 26 qui s'étend entre l'extrémité supérieure du corps 20 et la chambre de soupape 24o Pouvant fonctionner en va-et-vient dans la chambre de soupape 24 se trouve une tête de soupape 27, cette tête étant supportée et centrée sur une tige de soupape 28 et repoussée par res-25 sort vers une position assise (figure 1) par un ressort hélicoïdal de compression 29 qui bute à son extrémité supérieure sur un épau-lement interne 30 dans la tête 27 et qui repose à son extrémité inférieure sur un disque ou plateau de support 31 semblable à un collier à coin?. 30 Ce disque 31 repose dans un alésage 32 à l'extrémité inférieure du corps de soupape 20, étant ici un épaulement 33 faisant face vers le bas en engagement par le disque 31, et une bague à déclenchement 34 ou autre moyen de retenue étant utilisé pour retenir en place le disque 31. La tige.de soupape 28 est formée d'une seule 35 pièce avec le disque 31 et se prolonge vers le haut depuis celui-ci dans une cavité réduite 35 formée dans la face de dessous de la tête de soupape 27. Dépendant de l'épaulement 30, en relation d'encerclement au rëssort 29, se trouvé une jupe 36, qui, lorsque la soupape est ouverte (figure 2) protège le ressort 29 et la tige 40 28 de l'action érosive du fluide de forage circulant vers le bas 70 14640 4 2039357 après la tête de soupape et au travers d'un nombre d'orifices 37 formés dans le disque ou plateau 31. l'extrémité supérieure de la tête de soupape 27 est formée comme un cône 38 correspondant au cône de siège 25 pour rendre efficacement étanche l'ensemble 5 de soupape à la circulation vers le haut du fluide lorsque la soupape est fermée. la constrution décrite ci-dessus est une construction durable en ce que la tête 27 est séparée de la tige 28 et en ce qu'elle est formée en une seule pièce, la tige 28 est durable en ce qu'el-10 le est une unité intégrée avec le disque 31 et est protégée par la jupe 36 pendant l'exposition à l'usure maximum. En se référant à la figure 3, on peut voir le meilleur avantage qu'apporte la présente invention en ce que la cavité 35 dans la tête de soupape 27 a une section non circulaire ou carrée, et de 15 façon analogue, en ce que la partie 28a d'extrémité supérieure de la tige 28 est en correspondance de section non circulaire ou carrée ; et, de ce fait, la tête de soupape ne peut faire un mouvement de tournoiement ou de rotation sur la tige 28, ce qui serait le cas si la tige était cylindrique. Ainsi, le raccordement entre 20 la tête de soupape 27 et la tige n'est pas sujet à une usure rapide, du fait du mouvement relatif dans un environnement abrasif pendant les opérations de forage. En utilisation, la soupape V sera normalement fermée pendant la descente du train de tiges dans le trou du puits, de telle fa-25 çon que l'entrée du fluide dans le train de forage avec les découpures ou débris de forage incorporés dans celui-ci est empêchée, la tendances des orifices des outils de forage ou trépan à être de ce fait obturés étant sensiblement réduite. Cependant, lorsque la circulation du fluide reprend, la valve sera ouverte mais main-30 tenue contre le tournoiement de la tête par l'engagement non circulaire entre la tige et cette tête, la tige et le ressort de soupape étant protégés de l'action érosive du fluide de forage. la soupape est une soupape à boisseau et clapet combinés dans l'exemple de réalisation représenté, dans laquelle au-dessus de la 35 partie conique 38 de la tête de soupape 27 se trouve un boisseau 40 s'étendant vers le haut. Cette partie de boisseau 40 s'étend dans le passage d'écoulement 36 sur une distance plus grande que l'étendue du mouvement vers le bas permis de la tête de soupape 27 et sert comme un guide pour l'extrémité supérieure de la tête 40 de soupape 27 ; et, de ce fait, la vibration de la tête due à 70 14640 5 2039357 11 écoulement à vitesse élevée du fluide de forage ou d® l'air est empêchée. En vue de permettre l'écoulement vers le bas du fluide de forage ou de l'air au travers de l'ensemble de soupape lorsque la 5 soupape est ouverte (figures 2 et 4), le boisseau 40 a un alésage central 41 et une pluralité d5orifices42 étendus et espacés cir-conférentiellement et s'ouvrant radialement. De préférence, les orifices ont une surface d'écoulement combinée égale à ou plus grande que la surface d'écoulement au travers de la soupape en 10 l'absence du boisseau 40 et des orifices 42, de telle façon qu'aucune restriction à l'écoulement soit de ce fait provoquée. Tel qu'indiqué précédemment, la soupape objet de la présente invention est adaptée pour se fermer automatiquement dans l'éventualité ou une mise en feu au fond du trou créerait de la chaleur. 15 Ainsi, le corps de soupape est une structure composite, comprenant un manchon intérieur 43 qui est disposé dans un alésage supérieur 44, le manchon 43 prévoyant le passage d*écoulement 26 mentionné ci-dessus et ayant le siège de soupape conique 25 à son extrémité inférieure, le manchon 43 a un rebord de fond 45 qui se pro-20 longe radialement vers l'extérieur pour former un épaulement 46 faisant face vers le haut qui est adopté pour s'engager avec un épaulement 47 de corps faisant face vers le bas afin d'empêcher son déplacement vers le haut dans le corps 20. Ainsi, le manchon 43 peut résister sensiblement à la force vers le haut lorsque la 25 soupape est fermée. le manchon 43 est maintenu dans la position supérieure, avec les épaulements 4S et 47 engagés, par un moyen qui le libère pour le mouvement vers le bas en réponse à une chaleur excessive. Un tel moyen est représenté ici comme une couche de matériau de liai-30 son 48 interposée entre ou à l'interface du manchon 43 et la paroi de l'alésage de corps 44. Ce matériau de liaison peut être de la soudure au plomb, du métal babbitovi tout autre matériau thermoplastique ayant un point de fusion approprié ; et, de ce fait9 lorsque le feu dans le puits amène l'agent de liaison à fondre ou 35 se liquéfier, le manchon 43 sera libéré pour son déplacement vers le bas à la position fermée de secours de la figure.5? à laquelle ce dërnier s'est déplacé vers le bas pour entrer en contact avec la tête de soupape 27, bloquant les orifices 42 et engageant le siège 25 sur la surface 38 de tête de soupape. 40 Dans ces conditions, un écoulement supplémentaire vers le bas 70 14640 2039357 du fluide de forage ou de l'air sera expédié, provoquant une augmentation de pression dans le système de pompage d'air pour indiquer à l'ouvrier que la soupape est fermée. Puisque l'écoulement de l'air est coupé, la combustion additionnelle dans le trou ne 5 sera pas aidée par le pompage continu de l'air vers le feu» la présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits,, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront â l'homme de 1'art„ 70 14640 7 2039357 REVENDICATIONS 1 - Flotteur de tige de forage comprenant un corps de soupape prévu avec des parties agencées pour être engagées dans l'alésage d'un raccord de masse-tige, un siège de soupape conique dans 5 le corps, un passage d'écoulement entouré par le siège, une tête de soupape en va-et-vient dans le corps entre une position engagée avec le siège et une position ouverte déplacée vers le bas depuis le siège, une tige de soupape supportant la tête, et un moyen de ressort agissant sur la tête pour pousser celle-ci en engagement 10 avec le siège, lequel flotteur est caractérisé en ce que le corps comprend un manchon ayant le passage d'écoulement et le siège, ce manchon étant déplaçable entre une position supérieure engageable par la tête et une position inférieure en engagement avec ladite tête et des moyens agissant en réponse à la chaleur pour mainte-15 nir de façon libérable ledit manchon dans la première position énoncéeo 2 - Flotteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens agissant en réponse à la chaleur sont un matériau qui fond en présence de la chaleur. 20 3 - Flotteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau est un métal. 4 - Flotteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau est de la soudure. 5 - Flotteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que 25 le matériau est un métal babbit. 6 - Flotteur selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 caractérisé en ce que le manchon a un rebord de fond définissant un épaulement faisant face vers le haut et le corps a un épaulement faisant face vers le bas, ces épaulements étant coen- 30 gagés lorsque ledit manchon est dans la première position énoncée. 7 - Flotteur selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5> 6, caractérisé en ce que la tête de soupape a une partie cylindrique disposée dans le manchon, cette partie ayant un alésage de contrôle et un orifice s'ouvrant radialement pour l'é- 35 coulement du fluide lorsque la soupape est ouverte.