Brevet FR2086020A1 — publié le 19711231

1* invention. se rapporte aux dispositifs destinés d'empêcher les jaillissements dans les tours de forage. Le "brevet d'invention publié aux Etats-Unis d'Amérique sous le n° 3.325.773 décrit en général un dispositif sphérique d'empê-5 chement des jaillissements muni de moyens d'obturation résilient» et de moyens métalliques de translation pour convertir le mouvement axial des moyens d'obturation afin de fermer complètement le trou de sonde avec ou sans tige de sondage dedans. La présente invention est destinée à assurer divers perfectionnements à un dis-10 positif d'empêchement des jaillissements tels que la prévision d'un élément de garnissage qui n'est pas relié au piston d'actionneaent assurant ainsi le remplacement facile d'un élément de garnissage usé, la prévision d'un dispositif d'empêchement des jaillissements d'une caractéristique de fermeture améliorée, un dispositif à ou-15 verture automatique, et un élément de garnissage amélioré qui assure une fonction obturatrice et un dégarnissâge améliorés et où les moyens de translation ne gênent pas les objets obturés lorsque ceux-ci sont déplacés verticalement à travers l'élément de garnissage fermé. 20 La présente invention a pour objet d'empêchement des jaillis sements perfectionné dont une caractéristique est constituée par un logement à surface intérieure courbée, de préférence sphérique se prolongeant jusqu'à une lumière réceptrice où les moyens d'obturation résilients et les moyens métalliques de translation coopè-25 rent de façon glissante avec la surface intérieure courbée du logement afin de prendre une position d'obturation où les moyens de translation ont une surface extérieure courbée épousant la surface intérieure courbée du logement mais dont l'étendue axiale est inférieure à la surface extérieure courbée de l'élément de garnissage 30 et les moyens d'obturation résilients se prolongent périphérique-ment au-dessous de ladite surface extérieure courbée des moyens de translation et fait contact avec la surface intérieure courbée • du logement pour constituer un joint étanche périphérique afin d'assurer une action obturatrice améliorée et d'assurer une carac-35 téristique de fermeture améliorée, surtout pour Ise applications sous-marines, En ce qui concerne la caractéristique de fermetures améliorée, un autre objet de la présente invention est d'assurer un espace annulaire entre la périphérie extérieure de la partie inféri-40 eure des moyens d'obturation etle logement dans un dispositif d'ea- 71 12825 2086020 c-hemeat: des jaillisseaeats sphériqà*6 «t «a dehors du' pianos. d"ac-tiôBîieiafêïit de façon qae l'espace annulaire augmente à mesure qus 1'obturateur est déplacé vers mis position fermée évitant ainsi la formation d'un collecteur de fluide.. 5 Lrinvention sera mieux comprise à l*aide de la description ci- après. Au dessia annexé s La figure 1 est une vue schématique d'uae plate-forme de forage ea mer où le dispositif d'empêchement des jaillissements de la 10 présente invention peut être employé. La figure 2 est uae vue en élévation ea coupe transversale de la réalisation préférée i.e la présenta inventioa ea positioa ouverte et noa obturatrice avec uae tige de soadage à l'iatérieur de l'appareil. 15 La figure 3 est uae vue partielle ea élévation, prise ea partie ea coupe traasversale suivant la ligae 3-3 de la figure 2. La figure 4 est uae vue ea élévatioa, ea coupe traasversale, du dispositif d'empêchement des jaillissements de la prëseate invention ea positioa intermédiaire se fermant autour de la tige d® 20 soadage. La figure -M est uae vue partielle ea élévatioa, ea coupe transversale, du dispositif d'empë'Cheirt&ut des Jaillissements de la présente invention en positioa fermée autour de la tige de soadage, 25 I«a figure 4B est uae vue d* empêchement des jaillissements de la présente invention en positioa fermée sans tige de soadage dedans. La figure 5 sst une vue partiellet en coupe transversale, suivant la ligae 5-5 de la figure 2, et 30 La figure 6 est une vue aggrandie en perspective des segments métalliques de translation de l'élément de garnissage. Le dispositif d'empêchement des Jaillissements de la présente invention est indiqué de façon générale par le numéro de repère 10 et il est illustré à la figure 1, à titre d'exemple seulement, tel 35 qu'il est employé dans une opération de forage en mer, quoique le présent dispositif 10 soit naturellement susceptible d'être employ é dans toutes sortes de tours de forage, sous-marines ou autres. Le dispositif des jaillissements 10, vu au mieux à la figure 2 peut comprenâx'e un logement 12 comportant une partie supérieure 14 40 et une partie inférieure 16 attachées ensemble de façon amovible |AD ORIGINAL 71 12825 3 2086020 par une pluralité de "boulons 18. Les boulons 18 peuvent, facilement être défaits pour enlever le logement supérieur 14 afin de remplacer facilement l'élément de garnissage qui est indiqué de façon généraie par le numéro de repère 19^ 5 Des lumières réceptrices d'outils de sondage 22 et 24 ali gnées axialement sont prévues dans le logement supérieur 14 et le logement inférieur 16, respectivement, afin de recevoir un outil de sondage ou une tige de sondage 26 capable d'être déplacé axialement à l'intérieur du dispositif 10. Le logement 12 et par pré-"10 férence le logement supérieur 14 comportent une âme cylindrique aggrandie 28 qui comprend une surface intérieure courbée 30, par préférence sphérique, se prologeant à partir de la lumière 22. L'élément de garnissage 19 comprend des moyens d'obturation résilients 20 situés à l'intérieur de l'âme cylindrique aggrandie "15 28 et capables d'être déplacés sélectivement entre la position non obturatrice de la figure 2 et la position obturatrice indiquée aux figures 4A et 4B. Les moyens d'obturation 20 peuvent comprendre un anneau continu de matière résiliente telle que le caoutchouc naturel ou synthétique. L'obturateur 20 comprend une âme intéri-20 eure 32 et une surface extérieure 34, le diamètre de l'âme intérieure 32 étant approximativement égal au diamètre des âmes 22 et 24 et la surface extérieure 34 comprenant une partie courbée. L'élément de garnissage 19 comprend également une pluralité de moyens de translation 36 espacés radialement prévus pour coopérer 25 de façon glissante avec la surface intérieure courbée 30 du logement afin de convertir le mouvement axial d'un moyen d'actionne-ment tel qu'un piston 38 en mouvement roulant vers 1 intérieur des moyens d'obturation 20 pour assurer Tin joint étanche près de la lumière réceptrice22. Par préférence, les moyens de translation 36 30 sont une pluralité de segments en acier espacés radialement liés à l'anneau d'obturation résilient 20. Des moyens appropriés d'actionnement sont situés dans l'âme 28 près de l'extrémité inférieure de l'élément de garnissage 19 afin d'y communiquer un mouvement axial pour déplacer l'obturation 20 35 et les moyens de translation 36 vers la surface intérieure courbée 30 du logement jusqu'à la position fermée, et peuvent comprendre un piston 38. Un conduit d'actionnement fluide 40 est prévu à travers le logement inférieur 16 jusqu'à la surface inférieure du piston 38 muni d'une tête d'actionnement 39 et peut être relié à ^0 des sources et commandes de fluide commandées à distance (ncnindi- 71 12825 4 2086020 quées) pour actionner le piston 38. Passant maintenant aux figures 2, 3, 4-, 4A, 4B, 5 et 6, les moyens métalliques de translation 36 comprennent généralement une "base 42, une âme 44 et une plaque courbée 46. La surface extéri-5 eure 48 de la plaque courbée 46 est par préférence la portion d'un sphère et coopère avec la surface intérieure courbée 30 du logement supérieur 14 pour assurer une surface de glissement métal sur métal à frottement réduit pendant le mouvement de fermeture vers l'intérieur de l'élément de garnissage 19» A noter des figures 2, 10 4, 4A et 4B que la plaque courbée 46 ne se prolonge pas de façon continue du haut jusqu'à la base 42 des moyens de translation 36 mais est séparée de la base 42 permettant ainsi de prévoir une sur face périphérique continue 50 de moyens d'obturation résilients en tre le dessous de la plaque courbée 46 et le dessus de la base 42 15 des moyens de translation 36. Cette bande continue de matière résiliente 50 constitue un joint périphérique étanche en contact avec la surface intérieure courbée 30 du logement supérieur 14 pour constituer un joint étanche avec celle-ci et elle est d'une importance toute particulière pour assurer une action de fermetu-20 re perfectionnée du dispositif d'empêchement des jaillissements comme il sera décrit en plus de détail ci-dessous. Les bases 42 des moyens de translation 36 traduisent le mouvement vertical du piston 38 en mouvement roulant vers 1*intérieur de l'ensemble de l'élément de garnissage 19 en communiquant la for 25 ce du piston au moyen de l'âme 44 et des plaques courbées 46. A noter que les moyens de translation 36 et les moyens d'obturation 20 n'ont aucune liaison positive avec le piston 38 mais s'appuient simplement dessus facilitant ainsi le remplacement de l'élément de garnissage 19 simplement en enlevant le logement supérieur 14 et 30 le remplaçant dedans. A noter également que le dessous 52 de la ba se 42 des moyens de translation 36 est en forme d'arc, par exemple cylindrique, permettant ainsi le mouvement basculant des moyens de translation 36 sur la tête 39 du piston 38 au cours de l'opération de fermeture et d'ouverture. L'action de dégarnissement améliorée 35 de l'élément de garnissage 19 provient àu mouvement sphérique vers l'intérieur des moyens de translation 36 et de leur situation par rapport aux moyens d'obturation 20. Une obturation à support métallique est ainsi engendrée à la partie supérieure de l'élément de garnissage 19. La partie inférieure de l'élément de garnissage 4019 est exempt de métal rigide et puisque l'élément de garnissage 71 12825 5 2086020 19 n'est pas relié au piston 38 La partie inférieure des moyens d'obturation 20 est en mesure d'obturer et de s'adapter facilement et souplement aux variations de la configuration de la tige de sondage au cours des opérations de dégarnissement. 5 Passant maintenant aux figures 3 et 5» il est noté qu'une plu ralité d'enfoncements espacés 54 est prévue autour de la partie extérieure 34 des moyens d'obturation 20 et située au-dessus dii joint étanche périphérique 50 et entre les plaques courbées 46 des moyens de translation 36. Ainsi, au cours de la fermeture, 10 lorsque les moyens de translation 36 se déplacent vers l'intérieur et la largeur de l'espace ou 11enfoncemene 54 entre les plaques courbées 46 diminue, la matière résiliente ne s5introduit pas entre les plaques 46 pour se faire cisailler ou gêner la fermeture, mais peut s'introduire vers l'intérieur entre les âmes verticales 15 44. L'élément de garnissage 19 est capable dsouverture automatique. La force provenant de l'énergie potentielle renfermée dans les moyens d'obturation résilients comprimés 20 exerce une pression suffisante sur le piston 38 pour assurer le retour complet de 20 l'élément de garnissage 19 à la position détendue ouverte de la figure 1 lorsque la pression de commande du conduit 40 a été déchargée. Il ne faut donc qu'un conduit hydraulique 40 pour actionner le piston 38 au cours des opérations à terre. Pour les applications sou-marines il faut deux conduits hydrauliques afin d'é-25 quilibrer les forces exercées sur le piston 38 et produites par la colonne de fluide statique dans les conduits de commande. Acet effet une pièce intercalée obturatrice 56 (figures 2, 4, 4A et 4B) portant les obturateurs 57a» 57b et 57© est prévue. Les obturateurs 57a et 57b empêchent la communication avec l'espace au-des-30 sus du piston et permettent l'application de l'a pression fluide sur l'arrière du piston 38 par un conduit hydraulique 58. L'obturateur 57c empêche l'eau de mer de pénétrer dans le logement 12. Outre l'action principale d1 obturation des moyens d'obturation résilients 20 contre le tuyau 26 bu trou ouvert, indiquée au 35 mieux aux figures 4A et 4B, deux actions d'obturation supplémentaires sont obtenues automatiquement au cours de la fenaeture à mesure que la force du piston 38 est appliquée pour fermer l'élément de garnissage 19•. Une action d'obturation supplémentaire s*opère.entre les moyens d'obturation résilients 20 et le haut de 40 la tête 39 du piston le long de la surface 60 et une autre action 71 12825 2086020 à'oteturafci&a se produit antre le Jajuifc a^aacàô périphérique £j(j Pour les applications sous-maxànea, la zone d'obturation 62 constituée par le logement supérieur 14- et le joint étanche péri-lOphérique 50 des moyens d'obturation résiliente 20 déterminé l'équilibre dea forces provenant de la colonne de fluide statique de la boue de sondage à l'intérieur d'un, tuyau de monté*» et la colonne de fluide statique dans les deux conduits de commande. L'équilibre Hydraulique du dispositif d'empêchement des jaillissements sphéri-I5que submergé 10 est indiqué au mieux à la figure 1. Dans la position ouverte du dispositif 10, lorsque l'élément de garnissage 19 n'exerce pas d'action oot oratrice. les forces agissant sur le piston 38 dans le sens résistant à la.-Ica^et'are sont la colonne de boue de sondage agissant sur la ■*&&& A ©t la colonne de fluide de 20commande dans le conduit de coaimatvve 58 agissant sur la zone de piston B du piston 38. La force agissent dans le sens de la fermeture du dispositif d'empêchement de^ jaillissements est la colonne de fluide de coœmande dans le conduit de commande 40 agissant sur la aone G du piston 38. 25 Lorsque la tête du dispositif est ouverte, comme indiqué à la figure 2, les forces agissant sur le piston 38 sont déséquilibrées puisque la boue de sondage agissant sur 3a zone A est d'ordinaire plus lourde que le fluide de commande agissant sur le côté opposé G du piston 58, Donc, afin de commencer le mouvement de fermeture 30de l'élément de garnissage 19 il faut appliquer davantage de pression de commande par le conduit 40 sur la zone C du piston 38 que dans le cas d'une opération comparable à terre, pour vaincre ce déséquilibre. Cependant, à mesure que le piston 38 se déplace vers le haut, le joint étanche périphérique 50 de l'élément d'obturation 19 35qui constitue le joint étanche avec la surface intérieure courbée 30 le long de la zone 62 se déplace également vers le haut le long de la surface intérieure courbée 30 et, comme indiqué au mieux à la figure 4, diminue progressivement la zone A et ainsi modifie progrès siveinent l'équilibre hydraulique en faveur des forces qui agissent 40dans le sens de la fermeture du dispositif d1'empêchement. Lorsque, BAD ORIGINAL 71 12825 7 2086020 à certain, moment, 1'obturateur 50 arrive dans la position indiquée à la figure 4A, où le bord extérieur supérieur 51 du joint étanche périphérique 50 s'accorde axialement avec le diamètre Dx, la zone A a complètement disparu et les forces provenant de la colonne sta-5 tique de houe de sondage n'ont plus d'effet sur l'équilibre du piston puisqu'elles sont réparties de façon uniforme des deux côtés de la tête 60 du piston, sur une zone limitée par le diamètre interne du piston Dx et le diamètre de l'âme du piston Dx. A ce point, cependant, l'équilibre s'est déjà déplacé en faveur des for-10 ces agissant dans le sens de la fermeture du dispositif d'empêchement des jaillissements puisque la zone B est plus petite que la zone 0. Un déplacement d'équilibre supplémentaire dans le même sens a lieu si le piston peut être déplacé davantage comme indiqué à la figure 4B, réduisant encore la zone supérieure de tête de 15 piston exposée à la colonne statique de la boue de sondage. Ceci permet effectivement à la pression hydrostatique de la colonne de boue de sondage de supporter l'action de fermeture du dispositif d'empêchement des jaillissements. L'effet de cette caractéristique de fermeture est qu'il faut 20 moins de pression de commande pour la fermeture du dispositif d'empêchement des jaillissements en état submergé que pour une o-pération comparable à terre sans colonnes de fluide à l'intérieur du tuyau de montée et dans les conduits de commande. L'état d'équilibre au moment de la première course, qui favorise les forces 25 agissant dans le sens opposé à la fermeture, à peu d'importance pratique car presque toute l'action de fermeture s'opère à des couses de piston lorsque la zone A devient zéro comme à la figure 4A ou "négative" comme à la figure 4B. En ce qui concerne la fermeture améliorée, une autre caracté-30 ristique importante de la présente invention est l'aménagement d'un espace annulaire 64 entre l'élément de garnissage 19, la pièce in-tercallée d'obturation 56 et le logement supérieur 14 en dehors de la tête d'actionnement 39 du piston 38 dont le volume augmente à mesure que la course du piston 38 augmente évitant ainsi la forma-35 tion à l'intérieur d'un collecteur de fluide qui pourrait autrement rompre l'action d'obturation le long de la zone 62. En marche, le fluide hydraulique est introduit dans le conduit 40 Et appliqué contre la zone 0 du piston 38 donnant lieu à un mouvement vers le haut du piston 38 contre les moyens métalliques à 40translation 36 et les moyens d'obturation résilients 20 détemni- 71 12825 8 2086020 nant l'engrenage glissant des plaques courbées 46 des moyens de translation 36 et leur déplacement le long de la surface courbée 30 du logement et la translation du mouvement axial des moyens d1actionnement 38 en mouvement roulant vers l'intérieur des moy-5 ens d'obturation obligeant aux moyens d'obturation de prendre une position d'obturation et fermer complètement le trou de sonde avec ou sans tige de sondage 26.» Afin d'ouvrir le dispositif 10 monté dans une tour de forage à terre, la pression du conduit 40 est déchargé et la'force de ressort" de l'élément d'obturation résilient 10 comprimé 20 exerce une pression suffisante sur le piston 38 pour assurer le retour complet de l'élément de garnissage 19 à sa position détendue ouverte. Pour les applications sous-marines où il faut deux conduits de commande pour équilibrer les forces provenant des colonnes de fluide, le piston 38 peut être tiré en arriè-15 re par l'application de pressions de fluide par le conduit 58 agissant sur la zone B du piston. Il va de soi que diverses modifications pourront être apportées au dispositif décrit et représenté, sans s'écarter de l'esprit de l'invension. 71 12825 9 2086020 BETEHDIOATIOUS 1 - Un dispositif d'empêchement des jaillissements adapté à l'emploi sur unetour de forage, et pourvu d'un logement muni d'une lumière réceptrice d'un outil de sondage, une surface intérieure courbée se prologeant à partir de la lumière réceptrice, 5 des moyens d'obturation résilients à l'intérieure dudit logement ayant une surface extérieure courbée et adaptés aux déplacements entre une position non obturatrice et une position obturatrice, et des moyens de translation coopérant de façon glissante avec ladite surface intérieure courbée dudit logement et coopérant 10 avec lesdits moyens d'obturation pour convertir le mouvement axial d'un moyen dactionnement en mouvement vers l'intérieur desdits moyens d'obturation, caractérisé en ce que lesdits moyens de translation comprennent une surface extérieure épousant la surface intérieure courbée dudit logement, l'étendue axiale de la-15 dite surface extérieure étant inférieure à la surface extérieure courbée des moyens d'obturation, et en ce que lesdits moyens d'obturation résilients se prologent pér iphériquement au-dessous de ladite surface extérieure des moyens de translation et font contact avec la surface intérieure courbée du logement pour cons-20 tituer un joint étanche périphérique avec la surface intérieure.