Brevet FR2039358A1 — publié le 19710115

La présente invention concerne des soupapes à flotteur pour train de tiges de forage. Dans le forage de puits, tels que des puits de pétrole et/ou de gaz, il est de pratique courante de faire circuler un fluide 5 de forage, tel qu'une boue ou un gaz, vers le bas au travers du train de tiges de forage, ce fluide passant au travers d'ouvertures dans l'outil de forage ou trépan dans le trou de forage et ensuite remontant par l'intermédiaire de l'espace annulaire entre le train de tiges et la paroi du trou de forage, entraînant les 10 découpures ou débris de forage vers la surface. La redescente de la tige de forage dans le trou de forage après enlèvement, par exemple, remet en position les outils de forage ou trépan, d'une part, et l'arrêt de la circulation du fluide de forage, d'autre part, peut causer des problèmes qui ici ont été quelque peu sur-15 montés par l'utilisation de soupapes à flotteur de tiges de forage. De telles soupapes sont appelées soupapes à flotteur du fait qu'elles se ferment vers le haut et empêchent le passage du fluide de forage dans le train de tiges pendant la descente du train, de telle façon que ce dernier reste sec au-dessus de la soupape à 20 flotteur et quelque peu flottant. Un autre avantage de la soupape à flotteur est qu'elle empêche le colmatage des ouvertures ou orifices des outils de forage lorsque la circulation du fluide s'arrête, aussi bien que lorsque le train de tiges est descendu dans le puits. Cet avantage est ob-25 tenu même si le fluide de forage est de l'air ou un autre gaz, et la soupape ne provoque aucune action flottante réelle. En conséquence, les soupapes à flotteur ont été sujettes aux problèmes d'usure et de rupture ou d'avarie résultant de la remontée et resdescente excessives du train de forage, ce qui n'est pas 30 nécessairej du débouchage des outils de forage, ou afin que le fluide puisse circuler dans le train en eours de descente dans la boue de forage, ceci provoquant une éjection du fluide sur la plateforme de forage où il mouille l'équipement et le personnel» La présente invention prévoit une soupape de tige de forage 35 du type à fermeture vers le haut, appelée généralement soupape à flotteur, laquelle est solide dans sa construction-et qui désiste à l'usure, cette soupape étant en conséquence plus durable et ayant une durée d'utilisation plus longue que les soupapes à flotteur actuellement disponibles» 4-0 Plus particulièrement, la présente soupape à flotteur fournit une tête de soupape massive et d'une seule pièce qui résiste 0 70 14641 2 2039358 îi la l'uptias?®' st qui maintenant fonctionne entièrement comme une soupape, l'ensemble comprenant en. outra tm® tige ou support de tête d'une seule pièce sur laquelle la soupape est inversable, an tel support étant monté sur un corps de support, l'ensemble 5 comprenant en conséquence peu de parties et étant, de ce fait, nullement sujet à la séparation en petites pièces capables de bloquer où d'obstruer les outils de forage empêchant la descente du fluide, même si les composants devaient finalement se rompre du fait d'un service trop long et rude et de l'action érosive du 10 fluide de forage. De plus, la présente invention fournit une structure dans laquelle la tête de soupape est maintenue contre le mouvement de rotation en tournoiement par rapport à son support, réduisant de ce fait la tendance à l'usure, En effectuant ceci, la tête de sou-15 pape a une ouverture non circulaire sur sa face du dessous pour recevoir la tige de soupape sur laquelle la tête fait son mouvement de va-et-vient, la tige ayant une configuration semblable non circulaire. Selon un exemple de réalisation de la présente invention, la 20 soupape continue la structure d ® une soupape à clapet avec un manchon s'étendant vers le haut laquelle fonctionne comme un clapet à boisseau, cette structure étant plus particulièrement appropriée pour le forage avec de l'air ou un autre gaz» Le prolongement vers le haut fonctionne également;, en plus -îe son fonctionnement de cla-25 pet à "boisseau, comme un moyen de eentrags et, de ce fait, la vibration de la tête due à l'écoulement du fluide à vitesse élevée est éliminée, ce qui résulte sa une dus?é© ■>%■& service plus longue de la tigec D'autres objets et avantages de la, présente invention ressor-30 tiront de la description suivante pour tous ceux qui connaissent cette technique et de nouvelles caractéristiques de celle-ci seront décrites en relation avec les dessins ci-joints dans lesquels : La figure 1 est une vue en soupe longitudinale représentant uns soupape réalisée selon 1* invention et placée dans un train de 35 tiges dans la condition normalement fermas, La figure 2 est une vue correspondant, à la figure 1, mais représentant la soupape ouverte. La figure 3 est une vus en coupe tear^ôrsale, prise le long de la ligne 3-3 de la figure 10 40 La figura 4 est une vue coïrespoaâajafe à la figure 1, mais 70 14641 3 2039358 représentant une construction de soupape modifiée, particulièrement adaptée pour le forage avec de l'air ou du gaz, la soupape étant dans sa condition normalement fermée. la figure 5 est une vue correspondant à la figure 4, mais re-5 présentant la soupape ouverte, et La figure 6 est une vue en coupe transversale, prise le long de la ligne 6-6 de la figure 4. En se référant aux dessins, un mécanisme.de soupape Y est incorporé dans un train de tiges de forage ou de masses-tiges D 10 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 du trépan étant indiqué par la référance B. La soupape Y 15 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 B„ Le raccord 10 de masse-tige de forage a un alésage élargi 11 fournissant une paroi 20 cylindrique et un épaulement 12 radial inférieur. Comme représenté le raccord 10 a une extrémité mâle filetée 13 engagée dans le joint taraudé H supérieur du raccord B du trépan L'extrémité supérieure du raccord 10 est formée d'un joint taraudé 15 fixé à l'extrémité mâle filetée inférieure 16 de la masse-tige de forage 25 avoisinante ou section de tige 17. L'épaulement inférieur 12 et l'extrémité inférieure 18 de la section de tige ou de masse-tige 17 fournissent des embouts espacés axialement entre lesquels l'ensemble de soupape Y, que l'on va décrire maintenant, est disposé. L'ensemble de soupape V comprend un corps 20 agencé pour s'a-30 dapter 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 d'étancliéité, tels que des joints toriques 22 pour 1* étanchéité 35 de l'engagement à l'intérieur de l'alésage 11 pour empêcher la dérivation du fluide vers l'extérieur du corps 20 et l'usurè éro-sive résultante» A son extrémité inférieure, le corps 20 a une partie cylindrique inférieure agencée pour s'adapter dans l'alésage 11. D'au-40 tre part, le corps 20 peut être d'un diamètre inférieur à l'alésa 70 14641 4 2039358 ge 11. Intérieurement, le corps est prévu avec une chambre de soupape 24 ayant une surface conique amincie vers le haut 25 constituant un siège de soupape qui entoure un passage d'écoulement 5 26 qui s'étend entre l'extrémité supérieure du corps 20 et la chambre de soupape 24» 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 ressort vers une position assise (figure 1) par un 10 ressort hélicoïdal de compression 29 qui bute à son extrémité supérieure sur un épaulement 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 coins. Ce disque 31 repose dans un alésage 32 à l'extrémité infé-15 rieure 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 pièce avec le disque 31 et se prolonge vers le haut 20 depuis celui-ci dans une cavité réduite 35.formée dans la face de dessous de la tête de soupape 27. Dépendant de 1'épaulement 30, en relation d'encerclement au ressort 29, se trouve une jupe 36, qui, lorsque la soupape est ouverte (figure 2) protège le ressort 29 et la tige 28 de l'action érosive du fluide de forage circu-25 lant vers le bas 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 de soupape à la circulation vers le haut du fluide 30 lorsque la soupape est fermée. La construction 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'elle est une unité intégrée avec le disque 31 et est proté-35 gée 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 façon analogue, en ce que la partie 28a d'extrémité supérieure 40 de 'la tige 28 est en correspondance de section non circulaire ou 70 lkêkl 5 2039358 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 la tête de soupape 27 et la tige n'est pas sujet à une usure 5 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 façon que l'entrée du fluide dans le train de forage avec les décou-10 pures ou débris de forage incorporés dans celui-ci est empêchée, la tendance 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 maintenue contre le tournoiement de la tête par l'engagement non cir-15 culaire entre la tige et cette tête, la tige et le ressort de soupape étant protégés de l'action érosive du fluide de forage. En se référant aux figures 4 à 6 une structure de soupape identique est représentée et les mêmes références sont indiquées. Cependant, cet exemple de réalisation est particulièrement adopté 20 pour être utilisé dans le forage avec de l'air ou d'autres fluides de forage gazeux. Dans eet exemple de réalisation de la présente invention, la soupape est une soupape à boisseau et clapet combinés dans laquelle au-dessus de la partie conique 38 de la tête de soupape se trou-25 ve une partie 100 de boisseau s'étendant vers le haut. Cette partie de boisseau 100 s'étend vers le haut dans le passage de circu-• lation du fluide 26 du corps de soupape 20 sur une distance plus grande que le mouvement vers le bas permis de la tête de soupape 27, et sert comme guide pour l'extrémité supérieure de la tête de 30 soupape 27 ; et, de ce fait, la vibration de la tête due à la circulation du fluide de forage à vitesse élevée est empêchée. En vue de permettre l'écoulement vers le bas du fluide de forage ou de l'air pendant que la soupape est ouverte (figure 5 et 6) le boisseau 100 a un alésage central 101 et une pluralité d'o-35 rifices 102 étendus circonférentiellement et ouverts radialement„ De préférence, la surface d'écoulement combinée des orifieeé 102 est égale à ou plus grande que la surface d'écoulement au travers de la soupape en l'absence d'un tel boisseau et de tels orifices, de telle façon qu'aucune restriction à l'écoulement n'est de ce 40 fait provoquée. 14641 é 2039358 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 à l'homme de l'art» 70 14641 7 2039358 REVENDICATIONS 1 - Soupape à flotteur pour tiges 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 soupa-5 pe conique dans 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, un ressort disposé autour de la tige et agissant sur la tê- 10 te pour repousser celle-ci en engagement avec le siège, et un collier à coins pour la tige de soupape supportée dans le corps,* laquelle soupape est caractérisée en ce que la tête de valve est supportée en va-et-vient sur la tige et a une cavité dans sa face de dessous dans laquelle ladite tige s'étend» 15 2 - Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tige et le collier à coins sont d'une seule pièce. 3 - Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le passage d'écoulement est cylindrique et en ce qu'un boisseau creux s'étend depuis la tête dans le passage d'écoulement, le 20 boisseau ayant un orifice s'ouvrant radialement dans celui-ci pour l'écoulement du fluide au travers de cet orifice lorsque la tête est hors de son siège. 4 - Soupape selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que la tige et la cavité sont de section non eircu- 25 laire correspondante pour empêcher le tournoiement de la tête de soupape sur la tige. 5 - Soupape selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisée en ce que la tête a une jupe dépendant de celle-ci et entourant le ressort pour protéger celui-ci lorsque la tête est 30 hors de son siège.