Brevet FR2026959A1 — publié le 19700925

i 2026959 La présente invention concerne de façon générale les opérations de forage de puits de pétrole sous-marins, et concerne plus particulièrement une méthode et un appareil pour la commande du matériel de sécurité anti-éruption dans de telles installations. 5 Au cours des récentes années, le nombre accru de forages de puits en mer a rendu nécessaire le développement d'un matériel spécialisé de têtes de puits conçues pour être installées en des emplacements immergés. Ce matériel comprend l'utilisation d'obturateurs anti-éruption de puits du type dans lequel un packer 10 annulaire est agencé de manière à être comprimé radialeaent pour se fermer contre la tige de forage du puits en réponse à une course vers le haut d'un organe d'actionnement auquel est fournie une pression de fluide. A cet effet, ces obturateurs.comportent ce qui est connu sous lé nom de chambre de pression d'ouverture et de 15 fermeture auquel le fluide est fourni sous-pression alternativement pour effectuer l'ouverture et la fermeture du packer de 1.'obturateur de sécurité. Il s'est avéré que la différence minimale entre les pressions de fluide appliquées aux chambres d'ouverture et de fermeture et 20 On a pensé équilibrer les surfaces du piston de l'organe d'actionnement soumises aux pressions de fermeture et 40 d'ouverture du packer, en élargissant par exemple le diamètre 69 44626 2 2026959 Intérieur de la chambre de fermeture ; toutefois, cela soulevait le problème supplémentaire de présenter une plus grande surface inférieure de l'organe d'actionnement à la pression du fluide du puits (au-dessous du packer) tendant à fermer le packer, en 5 produisant des contraintes excessives dans l'élément de garniture, ce qui entraîne une réduction de la durée utile de l'élément. Un objectif principal de l'invention est de procurer un ensemble obturateur anti-éruption dont la construction et le mode de fonctionnement permettent de surmonter les problèmes et les 10 difficultés signalés plus haut ainsi que d'autres pouvant être rencontrés dans la pratique. D'autres objectifs et avantages de l'invention, ainsi que 13s détails d'un mode de réalisation particulier, seront plus complètement compris d'après la description détaillée suivante 15 considérée avec les dessins annexés,dans lesquels : La Figure 1 est une vue en élévation verticale et en coupe montrant un ensemble obturateur de sécurité incorporant l'invention, à l'état ouvert ; La Figure 2 est une vue similaire à la Figure 1, mais repré-20 sentant l'obturateur de sécurité à l'état fermé ou de fonctionnement ; et La Figure 3 est une vue en élévation montrant l'obturateur de sécurité de l'invention installé dans un ensemble de têtes de puits sous-marin. 25 Concernant la Figure 2, la tête de contrôle ou ensemble obturateur, indiquée de façon générale par le repère numérique 10, se compose d'un élément corps 11 comportant des alésages concentriques 12, 13 et 14, dont les diamètres augmentent progressivement Le chapeau 16 est fixé de façon amovible à l'élément corps au 30 moyen d'une fixation par vissage 17 dans une position telle que la face 19 de la bride 20 du chapeau soit en contact avec l'extrémité supérieure 21 de l'élément corps 11, l,étanchéitê entre le chapeau et l'élément corps étant assuré par une garniture 22. Le chapeau 16 comporte un trou 23 ayant le même diamètre que 35 l'alésage 12 du corps et concentrique à celui-ci. Des trous de boulons 24 servant à la fixation du matériel ci-dessus sont percés dans la face supérieure du chapeau 16. La gorge annulaire 25, dans cette face supérieure, est agencée de manière à recevoir un segment d'ëtanchéité venant en contact d'étanchéité avec 40 ledit équipement. 44626 3 2026959 Le rétrécissement 26 de l'élément corps 11 comporte une bride de fixation 27 de sorte que le raccordement avec la bride 29 ou tout autre raccord approprié se fait par l'intermédiaire des boulons 28. 5 Le chapeau 16 possède une bride annulaire interne 35 qui délimite le prolongement de l'alésage 23 vers le bas, et une bride périphérique 36 qui délimite l'alésage 37, ledit alésage 37 étant concentrique à tous les alésages de l'élément corps indiqués plus haut. 10 Le corps 11 comporte une bride annulaire verticale 38 qui vient en contact avec l'élément d'actionnement 39 du packer en 40 afin de limiter l'étendue du déplacement dudit élément vers le bas. L'organe d'actionnement 39 possède une partie 41 de pistons, s*ajustant de façon coulissante dans l'alésage 14, et une partie 15 42 de piston s'ajustant de façon coulissante dans l'alésage 13. L'organe d'actionnement s'étend vers le haut en 43, le prolongement 43 s'ajustant de façon coulissante dans l'alésage 37 de la bride du chapeau. Des segments d'étanchéité 44, 45 et 46 sont prévus entre les parties 42, 41 et 43, respectivement, du piston, 20 et les parois délimitant des cylindres respectifs qui reçoivent ces parties. Le piston 41 partage l'alésage 14 du corps en cylindres ou chambres de pression supérieure (première) et inférieure (seconde) 47 et 48, des lumières 49 et 50 débouchant respectivement de ces 25 chambres. Des tuyauteries extérieures 51 et 52 débouchent dans les lumières 49 et 50, respectivement. On remarquera que les diamètres extérieurs (14) des chambres 47 et 48 sont égaux, et que les diamètres intérieur» (13) et 37 de ces chambres sont égaux, pour des raisons d'équilibrage. 30 L'organe d'actionnement 39 comporte un alésage conique 53 s'évasant vers le bas et vers l'intérieur, et la partie 43 de l'organe d'actionnement qui délimite cet alésage peut être considérée dans son ensemble comme un coin conique interne, ou comme un élément constricteur du packer. 35 Le tsacker P se compose d'un anneau ou manchon massif 55 en matière plastique, et de préférence en matériau élastique tel que le caoutchouc ou le Néoprène. Dans la plupart des cas, on prévoit l'adaptation d'un seul packer pour des opérations répétées d'ouverture et de fermeture, et il est par conséquent préférable 40 que celui-ci possède des caractéristiques d'élasticité relativement 69 44626 4 2026959 élevées, afin de pouvoir revenir de lui-même à la position ouverte lorsque la force de compression est supprimée. On supposera, à partir de ce point du mémoire, que le packer possède de tels caractéristiques élastiques, mais cette supposition n'est pas 5 considérée comme limitant la présente invention. Il s'est avéré que le caoutchouc ayant une dureté au duromètre d'environ 75 convient pour une utilisation générale dans ce packer, mais là encore, cette spécification de dureté relative ne doit pas être considérée comme étant limitative. Le packer est représenté comme 10 un anneau continu d'un seul bloc, mais on comprendra que la révélation ne se limite pas à un packer non fractionné, tant qu'il n'existe pas d'intervalle angulaire interrompant la continuité du packer lorsqu'il est radialement comprimé en contact d'étanchéité avec des éléments se trouvant dans son alésage. 15 Une série d'éléments 56 de commande de débit en caoutchouc rigide fait partie du packer. Ces éléments peuvent prendre des formes diverses et sont toujours inclus dans le champ d'application de cette invention, mais on décrira d'abord une forme préférée d'éléments ayant des caractéristiques avantageuses particulières. 20 Ces éléments de commande rigide sont mobiles individuellement et - en bloc avec le caoutchouc dans son déplacement de contraction et d'expansion radiales et aussi, dans une certaine limite, sont mobiles individuellement par rapport au caoutchouc comme on le constatera plus loin. Considérés ensemble, les éléments de commande 25 rigides peuvent être considérés comme une armature radialement extensible et compressible noyée et encastrée dans l'anneau 55. L'anneau moulé 55 possède une face conique extérieure 57 laquelle est complémentaire de l'alésage 53 de l'organe d'actionnement, et un alésage 58 comportant une partie centrale 59 sensible-30 ment cylindrique et des parties supérieure et inférieure 60 et 61 s1inclinant de façon opposée, respectivement; l'évasement vers l'extérieur se faisant dans chaque cas vers l'extrémité correspondante de l'anneau. On constatera que chaque élément 56 comprend des plaques 35 de sommet et de front 63 et 64, respectivement, reliées rigidement ' par une nervure verticale 65, les faces extérieures 66 des plaques et la face extérieure 67 de la nervure ayant sensiblement le même degré de conicité que l'alésage 53 et que la face 57 de l'anneau. Ou bien, les plaques 63 et 64 peuvent être considérées comme des 40 brides transversales sur la nervure 65. Les éléments 56, qui 69 44626 5 2026959 peuvent être en acier, en bronze ou en tout autre matériau rigide approprié quelconque, sont de préférence mis en place dans le caoutchouc lors du moulage et, le caoutchouc et les éléments sont de préférence liés ensemble au moyen d'un adhésif approprié au 5 cours du processus de moulage. Les plaques des éléments de commande sont en forme de secteurs, vues en plan, et sont disposées par séries circulaires, avec des intervalles laissés entre les bords latéraux opposés des plaques, en haut et en bas. Les plaque: sont dimensionnées de façon telle que les deux bords latéraux 10 opposés d'éléments adjacents sont espacés l'un de l'autre, ce dont il s'ensuit qu'à mesure que les éléments se déplacent radialement vers 1'intérieur,ies intervalles entre ceux-ci diminuent de manière à former un contact linéaire d'une extrémité à l'autre des plaques. Cela empêche le caoutchouc qui débordera lors de la 15 compression de l'anneau, d'être pincé aux extrémités radialement vers l'intérieur des plaques. L'anneau 55 est moulé de façon que sa partie annulaire extérieure 72 fasse saillie radialement vers l'extérieur au-delà des faces extérieures 56 des plaques, ce qui fait que ces surfaces 20 métalliques ne viennent pas en contact avec la paroi de l'alésage 53 de l'organe d'actionnement. Pour des raisons qui seront données plus loin, on considère la partie annulaire 72 comme étant celle qui s'étend radialement à partir de la face 57 vers lés faces extérieures 67 des nervures 65. Le packer est descendu, tandis que 25 le chapeau 16 est désassemblé, dans la position de la Figure 1, l'anneau 55 s'adaptant avec facilité dans la partie supérieure de l'alésage 53 sans nécessiter une compression radiale appréciable de l'anneau. Pour limiter positivement le mouvement descendant de l'anneau, une butée est prévue sous la forme du tube 74 qui est 30 maintenu dans l'alésage 15 du carter. L*extrémité supérieure du tube sert de butée pour le packer. L'alésage 75 de ce tube a le même diamètre que les alésages 12 et 23, et ce tube est espacé annulairement à la fois de la partie 42 du piston et de 1'extrémité inférieure de la partie coin 43 de l'organe d'actionnement. Des 35 lumières 76 débouchent de l'alésage 75 dans la chambre 77, cette dernière étant délimitée de façon annulaire par le tube et le manchon 80, quand il est retenu en bout par la paroi 78 du corps et par l'extrémité inférieure du packer. Lorsque le chapeau 16 est ensuite assujetti en place, sa 40 surface horizontale inférieure 79 constitue une butée servant à 69 44626 6 2026959 limiter le déplacement du packer vers le haut, les plaques supérieures 63 des éléments de commande 56 coulissant sur cette surfac à mesure que la packer se comprime ou ae dilate radialement. L'extrémité du tube et la surface 79 du chapeau constituent donc 5 des butées verticalement espacées qui empêchent un déplacement vertical appréciable du packer par rapport à l'élément corps 11. On constatera que la compression radiale du packer se fait grâce au mouvement relatif vertical du packer et de l'organe d'actionnement. Alors que les modes de réalisation représentés 10 montrent ce mouvement relatif comme étant provoqué en empêchant le packer de se déplacer verticalement par rapport à l'élément corps et ensuite par un déplacement vertical dé l'organe d'actionnement par rapport au carter et au packer, on comprendra que la disposition et le fonctionnement peuvent être inversés. 15 Le manchon 80 peut être considéré comme faisant partie de la structure de carter 11, sur laquelle il est maintenu par l'élément de fixation 81. Le manchon 8o et le corps 11 avec la partie 42 du piston de l'organe d'actionnement forment une troisième chambre 82 destinée à recevoir le fluide de pression de commande (par la 20 lumière 83 et la canalisation 84 par exemple) ayant pour rôle de pousser l'organe d'actionnement vers le haut dans une relation d'équilibrage au moins partiel de la force s'exerçant vers le bas sur l'organe d'actionnement. En particulier, cette force dirigée vers le bas devant être contrebalancée peut résulter par 25 exemple de la pression statique P2 d'une colonne de boue de forage se trouvant dans l'anneau 85 en dehors de la tige de forage 86, cette boue circulant vers le bas dans cette tige jusqu'au trépan, et remontant dans l'anneau. La Figure 3 représente la colonne montante 87 à l'intérieur de laquelle la boue s'écoule vers la 30 surface. La pression de la boue s'exerce sur le packer P et tend à le dilater, et une poussée vers le bas est par conséquent transmise à l'organe d'actionnement 39 par l'intermédiaire des surfaces évasées et agrandies 57 et 53, lorsque le packer ferme dans le puits. 35 En même temps, la pression du puits, P^ comme par exemple dans l'anneau 185 au-dessous du packer, est transmise par les orifices 76 du tube 74 à la chambre 77 et à la face inférieure de l'organe d'actionnement 39 dans les limites de la dimension diamétrale définie par le diamètre intérieur 89 de la partie 42 du 40 piston de l'organe d'actionnement. Un joint 88 assure l'étanchéité 69 44626 7 2026959 entre le manchon 80 et la partie 42 du piston pour empêcher 1*application de la pression du puits sur une grande surface de la face inférieure de l'organe d'actionnement. On remarquera que la troisième chambre 82 est située de façon 5 telle que la première et la seconde chambres 47 et 48, puissent avoir des diamètres extérieurs approximativement égaux, ce qui donne une surface de piston agrandie au-dessous de la partie 41 du piston de l'organe d'actionnement de sorte qu'une poussée vers le haut plus importante puisse être communiquée par le fluide se 10 trouvant dans la chambre 48 (pression de fermeture P ) à l'organe d'actionnement afin de fermer le packer contre la résistance en rapport avec la pression statique de la boue. On obtient ceci sans agrandir la surface de la face inférieure de l'organe d'actionnement soumise à la pression du fluide du puits et, en fait, la 15 pression P^ dans la chambre 82 peut être réglée indépendamment à des valeurs supérieure ou inférieures à la pression Pw du fluide dans le puits, donnant un degré de réglage supplémentaire de l'organe d'actionnement inconnu jusqu'alors, mais présentant un grand et surprenant avantage. 20 En résumé, les forces agissant de haut en bas sur l'organe d'actionnement 39 sont dérivées de et proportionnelles à : P2 (Pression statique de la boue) PQ Pression de fluide de fonctionnement appliquée dans la chambre 47 pendant l'ouverture du packer) 25 L®s farces agissant de bas en haut sur l'organe d'action nement sont ci ,'ivées de et proportionnelles à : Pw (pression du fluide dans le puits) P^ (Pression de fluide de commande appliquée à la chambre 82 pour contrebalancer P2 ) 30 Pc (Pression de fluide de fonctionnement appliquée à la chambre 48 pendant la fermeture du packer) Concernant de nouveau la Figure 1, une enceinte de pression gazeuse 90 est représentée en communication avec les tuyauteries 51 et 52 par J.'intermédiaire d'un régulateur de pres-35 sion approprié 91 et d'une vanne à quatre voies 92. Dans une position de cette dernière, le fluide sous-pression est amené à la tuyauterie 52 et le fluide sous-pression se trouvant dans la tuyauterie 51 est déchargé à la mer en 93. Dans l'autre position de la vanne 92, le fluide sous-pression est amené à la tuyauterie 40 52 et le fluide sous-pression se trouvant dans la tuyauterie 51 69 44626 8 2026959 est évacué à la mer en 93« Dans l'autre position de la vanne 92, le fluide sous-pression est amené à la tuyauterie 51 et le fluide se trouvant dans la tuyauterie 52 est évacué à la mer. Un système d'entraînement électrique approprié 94 commande la vanne 92 et 5 une commande appropriée 95 du régulateur peut être commandée depuis la surface pour le réglage de la pression appliquée aux tuyauteries 51 et 52. De même, la pression peut être envoyée à la tuyauterie 84 par l'intermédiaire du régulateur 96 et de la vanne à trois voies 97. Les commandes du régulateur et de la vanne sont indiquées 10 par les repères numériques 98 et 99 et peuvent être actionnées électriquement depuis la surface, pour l'application d'une pression sélectionnée à la chambre 82, un câble remontant à la surface étant indiqué par le repère numérique 199. La commande 98 du régulateur 96 peut être raccordée par l'intermédiaire de la tuyau-15 terie 110 à l'anneau 185 afin de réagir à la pression de la boue à proximité du packer, de manière à transmettre une pression plus élevée à la chambre 82 à mesure que la pression de la boue augmente. Enfin, en se référant à la Figure 3, celle-ci représente l'ensemble obturateur de sécurité 10 raccordé dans une structure 20 sous-marine 100 .. d'obturateur anti-éruption, comprenant une unité 10 au-dessus d'une série d'obturateurs de sécurité loi du type à vérin. Un système de colonne montante 102 s'étend au-dessus de la structure lOO et est raccordé à celle-ci par un raccord de tète de puits 103. La colonne montante s'étend jusqu'à la surface 25 de la mer, et,par exemple,jusqu'à un ponton de forage 104 ou installation autre. La structure lOO et la colonne montante 102 sont seulement illustratives et peuvent porter l'enceinte de pression 90 et la tuyauterie et les commandes associées dont il est question plus haut. 69 44626 9 2026959 REVENDICATIONS 1. Un ensemble obturateur anti-éruption de puits comprenant : un carter pouvant être raccordé à une structure sous-marine d'équipement d'entretien de puits ; un packer annulaire compressible 5 vers l'intérieur,positionné dans le carter pour former avec celui-ci un passage vertical par lequel on peut faire passer des objets tubulaires dans le puits ; un organe d'actionnement annulaire mobile de bas en haut dans le carter pour comprimer l'anneau afin de diminuer ledit passage, le packer annulaire étant adapté pour 10 recevoir l'application d'une force résultant de l'application de la pression statique du fluide du puits dans ledit passage et pour transmettre ladite force tendant à pousser l'organe d'actionnement vers le bas ; l'organe d'actionnement et le carter formant une première chambre destinée à recevoir le fluide de pression de 15 commande agissant de manière à pousser l'organe d'actionnement vers le bas pour atténuer ladite compression du packer, et une seconde chambre destinée à recevoir le fluide de pression de commande agissant pour pousser l'organe d'actionnement de bas en haut afin de comprimer le parker ; l'organe d'actionnement et le carter 20 formant une troisième chambre destinée à recevoir le fluide de pression d'équilibrage agissant pour pousser l'organe d'actionnement de bas en haut en relation de compensation au moins partielle avec l'effet inverse de ladite pression statique. 2. Un ensemble selon la revendication 1, comprenant un moyen 25 de transmission de la pression de fluide d'équilibrage à ladite troisième chambre en fonction de ladite pression statique du fluide du puits. 3. un ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le carter est compris dans une structure d'équipement raccordée au- 30 dessous Cu niveau de la mer, du fluide du puits se trouvant dans une canalisation de forage raccordée à ladite structure et s'étendant au-dessus de celle-ci, ledit fluide du puits exerçant ladite pression statique. 4. Un ensemble selon la revendication 3, dans lequel ledit 35 fluide du puits est composé de boue de forage. 5. Un ensemble selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, dans lequel lesdites première et seconde chambres sont annulaires et ont des diamètres extérieur et intérieur approximativement égaux. 6. Un ensemble selon la revendication 5, comprenant un moyen 40 source de pression de fluide dans la structure, et un moyen de 69 44626 10 2026959 transmission contrôlée de la pression de fluide dudit moyen source auxdites première, seconde et: -troisième chambres. 7. Un ensemble selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, dans lequel ladite troisième chambre est au-dessous du niveau desdites 5 première et seconde chambres quand l'organe d'actionnement est en position basse. 8. Un ensemble selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, comprenant une bride annulaire d'une seule pièce avec le carter et en saillie vers le haut à l'intérieur ouvert de celui-ci, ledit 10 organe d'actionnement comportant un piston annulaire en saillie vers le bas, adjacent à ladite bride annulaire et en relation concentrique--avec celle-ci, et un moyen d'étanchéité entre ladite bride annulaire et ledit piaton annulaire. 9. Un ensemble selon la revendication 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 15 8, dans lequel le diamètre extérieur de la troisième chambre n'est pas supérieur au diamètre intérieur des première et seconde chambres.