Brevet FR2486996A1 — publié le 19820122

La présente invention concerne les constructions mécaniques, en particulier les matériels de forage, et a notamment pour objet un dispositif à soupape. Le dispositif à soupape conforme à l'invention est destiné surtout à être monté dans un train de tiges de forage, au-dessus d'un moteur de fond volumétriqueet à être utilisé pour le forage de puits de pétrole et de gaz en cas d'utilisation, en tant que boue de forage (appelée dans la suite de la présente description "fluide de travail"), d'eau industrielle ou d'une boue contenant des impuretés mécaniques. Le dispositif à soupape conforme à l'invention peut également être utilisé dans le forage rotary (sans utilisation d'un moteur de fond volumétrique). En outre, il peut être utilisé pour la production de pétrole (ou d'autres fluides) au moyen de pompes de fond volumétriques. On connait un dispositif à soupape destiné à être placé dans un train de tiges de forage au-dessus d'un moteur de fond volumétrique et servant à vider et à remplir le train de tiges de forage au cours des opérations de montée et de descente de l'outil, ainsi qu'à isoler l'espace intérieur du train de tiges de forage de l'espace annulaire entourant ledit train. Ce dispositif comprend un corps creux ayant une entrée et une sortie disposées coaxialement pour le passage du fluide de travail, et des trous débouchants pratiqués dans sa paroi et servant à relier l'espace intérieur dudit corps audit espace annulaire. L'entrée du corps communique avec l'espace intérieur des tiges de forage, et sa sortie, avec l'espace intérieur du moteur de fond volumétrique. Pour isoler pendant le forage l'espace intérieur du corps de l'espace annulaire entourant ce dernier, il est prévu un système d'obturation comprenant un siège fixé dans le corps 35. du dispositif, au-dessous de ses trous débouchants, et un élément obturateur sollicité par un ressort et réalisé sous forme d'un piston. Un trou calibré pratiqué axialement à l'intérieur du piston sert à créer une pression différentielle qui déplace le piston axialement jusqu'à ce qu'il vienne s'appliquer sur le siège afin d'obturer les trous débouchants du corps pendant le forage, c'est-à-dire d'isoler l'espace annulaire du puits de l'espace intérieur du corps du dispositif. Ce trou calibré, qui sert de sortie au fluide de travail, est pratiquée dans ledit corps. Le piston porte extérieurement des bagues d'étanchéité en caoutchouc (cf., par exemple,le brevet USA N0 36612189 cl. 175-107, 1972). L'une des particularités de ce dispositif à soupape est que son fonctionnement normal est souvent perturbé en cas d'utilisation, en tant que fluide de travail, d'une boue contenant des impuretés mécaniques. Lors des interruptions du processus de forage (pour les opérations d'allongement du train de tiges de forage), le piston occupe sa position initiale haute (de transport) en mettant ainsi l'espace annulaire du puits en communication avec l'espace intérieur du train de tiges de forage. Les déblais se trouvant en grandes quantités dans la zone voisine du fond du puits pénètrent dans l'espace entre le corps du dispositif à soupape et la surface extérieure du piston, à l'endroit o se trouve le ressort. Lorsque les pompes de surface sont remises en marche, les déblais accumulés empochent le piston de descendre, de sorte qu'une partie de b boue de forage passe dans ledit espace annulaire par les trous débouchants ouverts de la paroi du corps. Dans le cas o, sous l'action d'une chute élevée de pression dans le trou calibré du piston, ce dernier,ayant éventuellement subi un gauchissement, se déplace jusqu'à sa position de travail, ce qui peut endommager les bagues d'étanchéité disposées tant dans sa partie supérieure que dans sa partie inférieure. L'utilisation du dispositif à soupape devient alors impossibles car les bagues d'étanchéité sont rapidement détruites et l'ensemble du dispositif à 35. soupape est mis hors d'usage. Dans le cadre de la présente invention, on s'est donc proposé de créer un dispositif à soupape dans lequel les trous calibrés et le système d'obturation seraient réalisés de manière que, tout en étant relativement simple4 ils permettent de rendre plus fiable le fonctionnement et de prolonger la durée de vie (longévité) du dispositif à soupape utilisé avec des fluides contenant des impuretés mécaniques. Ce but est atteint du fait que le dispositif à soupape destiné à être installé notamment dans un train de tiges de forage au-dessus d'un moteur de fond volumétrique, du type comprenant un corps creux ayant une entrée pour le fluide de travail et une sortie pour ledit fluide à travers des trous calibrés destinésà créer une chute de pression et dont la paroi est percée de trous débouchants servant à le mettre en communication avec l'espace annulaire du puits, et un système d'obturation servant à fermer ces trous au cours du forage, disposé dans ledit corps et comprenant un siège et un élément obturateur sollicité par un ressort et monté de manière à pouvoirsous l'effet de la chute de pression, se déplacer axialement et venir s'appliquer sur ledit siège, est caractérisé, selon l'invention, en ce que dans la cavité dudit corps, au-dessus desdits trous de sa paroi, est montée une cloison fermant sa section transversale, lesdits trous calibrés étant pratiqués dans cette cloison, et en ce qu'il est prévu dans la cavité dudit corps, dans la zone des trous débouchants, une chambre ouverte d'en haut, com- muniquant avec ces trous et montée de manière qu'il se forme entre elle et ledit corps des canaux débouchants pour le passage du fluide, le siège du système d'obturation étant fixé suivant le périmètre de la partie de la chambre ouverte d'en haut, et ledit élément obturateur étant doté d'une queue dont l'extémité se trouve au moins au niveau de la face supérieure de la cloison. Il est avantageux que ladite cloison soit fixée dans ledit corps d'une manière rigide, que les trous calibrés 35. soient pratiqués suivant sa périphérie et qu'elle soit percée en son milieu d'un trou pour le passage de la queue de l'élément obturateur. Un tel mode de réalisation de la cloison permet d'obtenir deux surfaces d'appui de centrage dont l'une se trouve dans la chambre, et l'autre, dans le trou central de la cloison rigidement fixée dans le corps, ce qui rend plus fiable le fonctionnement du dispositif à soupape au cours de son utilisation. Il est possible de monter la cloison de manière mobile et de fixer rigidement sur elle la queue del'élément obturateur. Cela permet, dans une certaine mesurede simplifier le dispositif. Il n'en résulte aucune diminution de la fiabilité du fonctionnement et de la longévité de l'ensemble du dispositif à soupape, puisque la cloison mobile remplit dans ce cas non seulement sa fonction principale (elle comporte les trous calibrés précités dans lesquels, lors du passage du fluide, s'établit une chute de pression), mais elle sert aussi de guidage à l'élément obturateur du système d'obturation. Le dispositif à soupape conforme à l'invention est relativement simple à réaliser, fonctionne d'une manière - très fiable et a une longue durée de vie, ce qui est particulièrement important en cas d'utilisation dans des fluides de travail contenant des impuretés mécaniques. Le fait de prévoir dans le dispositif à soupape une cloison à trous calibrés et de doter d'une queue l'élément obturateur du système d'obturation crée des conditions permettant d'améliorer l'aptitude au fonctionnement de ce sous-ensemble, car on obtient dans ce cas deux surfaces d'appui de centrage assurant la coaxialité de son mouvement pendant le fonctionnement. D'autre part, le nombre d'éléments d'étanchéité mobiles est réduit à un minimum; en outre, ils se trouvent cons- tamment baignés par la boue de forage en mouvement, ce qui leur assure une longue durée de vie en cas d'utilisation , dans un milieu abrasif. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente le dispositif à soupape selon l'invention, doté d'une cloison fixée d'une manière rigide (coupe longitudinale); - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe suivant III-III de la figure 1; - la figure 4 représente le dispositif à soupape équipé d'une cloison mobile; - la figure 5 représente le dispositif à soupape doté d'un cloison fixée d'une manière rigide et d'un élément obturateur réalisé sous forme d'un piston. Sur les dessins annexés illustrant les exemples de réalisation de l'invention, les dispositifs à soupape sont représentés en position de transport. Le dispositif à soupape comprend un corps creux 1 (figure 1) ayant une entrée 2 pour le passage du fluide de travail, par laquelle le corps 1 communique avec une tige (non représentée) du train de forage, et une sortie 3 reliée à un moteur de fond volumétrique (non représenté). La paroi du corps 1 est percée de trous débouchants 4 mettant son espace intérieur en communication avec l'espace annulaire du puits (espace entre le train de tiges et la paroi du puits). Le corps 1 referme une cloison 5 fixée au-dessus des trous 4 et fermant la section transversale du corps. Pour le passage du fluide (liquide) de travail, la cloison 5 est percée de trous calibrés 6 permettant d'obtenir une chute de pression. Les trous calibrés 6 sont pratiqués suivant la périphérie de la cloison 5 et régulièrement espacés suivant une circonférence, comme indiqué sur la figure 2. 35. Pour la commodité du montage de la cloison 5, le corps 1 (figure 1) est réalisé en deux parties la et lb assemblées par filetage. Une chambre 7 ouverte à sa partie supérieure est fixée dans le corps 1, dans la zone des trous débouchants 4. Dans le corps 1, entre la cloison 5 et la chambre 7, est placée une douille 8. La paroi latérale de la chambre 7 est percée de trotus débouchants 9 disposés ooaxialement aux trous débouchants 4 du corps 1 et servant à mettre l'espace intérieur de ladite chambre en communication avec l'espace annulaire du puits. Pour le passage du fluide vers la sortie 3 du corps 1, sont prévus des canaux débouchants 10 (figures 1, 3). Dans l'exemple considéré, les canaux 10 sont disposés longitudinalement dans la paroi de la chambre 7. Pour éviter les fuites du fluide se trouvant dans l'espace intérieur du -corps 1 vers l'espace annulaire du puits au cours de l'utilisation du dispositif, la paroi de la chambre 7 présente extérieurement des rainures recevant des bagues d'étanchéité 11 (figure 1). Pour isoler, au cours du forage, l'espace intérieur du corps 1 de l'espace annu- laire du puits, est prévu un système d'obturation 12 comprenant um siège 13 rigidement fixé suivant le périmètre de lapartie supérieure ouverte de la chambre 7, et un élément obturateur 14 doté d'une queue 15. DJélément obtu- rateur 1l4 est monté de manière à pouvoir se déplacer axia- lement sous l'action de la chute de pression, pour venir s'appliquer contre le siège 13 au cours du forage. Pour le passage de la queue 15 à travers la cloison 5, cette dernière est percée en son milieu d'un trou débouchant 16. L'élément obturateur 14 est maintenu en position de transport par un ressort 17 dont l'une des extrémités bute contre la cloison 5, et l'autre, contre un disque 18 monté à l'extrémité supérieure de la queue 15. L'extrémité de la queue 15 comporte deux écrous 19 servant à régler les efforts de compression du ressort 17. Pour assurer une étanchéité fiable, l'élément obturateur 14 est doté d'une manchette, garniture ou analogue élastique 20 montée sur 35. un plateau 21 solidaire de l'élément obturateur 14 dans lequel est pratiqué à cet effet un trou axial borgne taraudé. Pour prévenir un dévissage spontané éventuel, une goupille 22 est montée dans des trous débouchants du plateau 21 et de l'élément obturateur 14. Pour assurer la coaxialité du siège 13 et de l'élément obturateur 14 et pour guider le déplacement de l'élément obturateur 14 de la position de transport à la position de travail et inversement, il est prévu dans la partie inférieure du plateau 21 un élément de guidage 23 disposé dans un trou central 24 du siège 13. Dans le dispositif à soupape représenté sur la figure 4, la cloison 5a est montée de manière à pouvoir se déplacer axialement soitl'action de la chute depression. La queue de l'élément obturateur 26 est rigidement liée à la cloison 5a et un ressort 27 est disposé entre la cloison et la chambre 7. Pour régler l'effort du ressort 27, il est prévu une douille de réglage 28 dans la partie inférieure du dispositif à soupape, au- dessous de la chambre 7. La position de la chambre 7 est alors réglée de manière que la positkon xéztive cs trous 4 du coeps let des tous 9 deJa chlabre7n'empOche pas le passage du fluide de travail depuis l'espace annulaire du puits vers l'espace intérieur des tiges de forage et inversement. Pour le reste, ce dispositif à soupape est analogue à celui décrit plus haut. La figure 5-représente un dispositif à supape dans lequel la cloison 29 est fixée d'une manière rigide et le système d'obturation 30 comprend un siège 31 fixé dans la chambre 7 et un-élément obturateur 32 réalisé sous forme d'un piston doté d'une bague détanchéité 33 en forme de 0 glissant dans un trou cylindrique 34 du siège 31. La partie inférieure du piston 32 se termine par un élément de guidage 35 se déplaçant dans une ouverture centrale d'une cloison 36 disposée dans la partie inférieure du siège 31. La même cloison est percée de trous 37 disposés suivant sa péri- phérie et servant au passage du fluide de l'espace annulaire du puits à l'espace intérieur des tiges de forage et dans 35. le sens inverse. Sur la partie supérieure du piston 32 est prévu un disque d'appui 38 fabriqué d'une seule pièce avec le piston (ou rigidement fixé sur celui-ci),Audessus de ce disque se trouve une queue 39 dont les déplacements radiaux sont limités par un trou central 40 de la cloison 29. Un ressort de rappel 41 est disposé entre le disque d'appui 38 et la chambre 7. L'effort du ressort 41 est réglé à l'aide des douilles 42 et 43. Le fonctionnement des dispositifs à soupape de toutes les contructions décrites ci-dessus peut être décrit en prenant comme exemple celui représenté sur la figure 1. Pendant la descente de train de tiges de forage avec (ou sans) moteur de fond volumétrique, le dispositif à soupape se trouve en position de transport: le système d'obturation 12 est ouvert (l'élément obturateur 14 est maintenu en position haute par le ressort 17). Le fluide passe alors de l'espace annulaire du puits dans l'espace intérieur du dispositif à soupape, puis &ns le train de tiges de forage par les trous 4 du corps 1, les trous débouchants 9 de la chambre 7 et l'intervalle entre le siège 13 et l'élément obturateur 14. Le fluide baigne alors le siège 13 et l'élément obturateur 14 du système.d'obtu- ration 12 et les nettoie. Après la mise en marche des pompes de surface, la boue de forage est pompée à travers le dispositif à soupape vers le moteur de fond volumétrique, puis vers l'outil de forage (non représenté), ou bien directement vers l'outil de forage. Il se crée alors dans les trous calibrés 6 de la cloison 5 une chute de pression et l'effort qui en résulte agit sur la queue 15 de l'élément obturateur 14 et, en surmontant la résistance du ressort de rappel 17, déplace l'élément obturateur 14 vers le bas, jusqu'à ce qu'il se trouve serré contre le siège 13, en fermant ainsi le système d'obturation 12 d'une manière bien étanche. Toute la boue de forage passe alors par les canaux débouchants 10 et se dirige vers les organes de travail du moteur, puis vers l'outil de forage (ou directement vers l'outil de forage). 35. Une fois les pompes arrêtées et la circulation de la boue coupée, l'élément obturateur 14 est ramené en position initiale (position de transport) sous l'action du ressort de rappel 17, ce qui rétablit la communication entre l'espace annulaire et l'espace intérieur du train de tiges de forage. L'étanchéité du système d'obturation 30 du dispositif à soupape représenté sur la figure 5 est assurée à l'aide d'un élément d'étanchéité en forme de O en caoutchouc, qui entre en contact avec la surface cylindrique du siège 31. Pour le reste, le fonctionnement de ce dispositif à soupape ne diffère psdeclui des dispositifs décrits ci-dessus. Dans le dispositif à soupape représenté sur la figure 4, l'élément obturateur 26 se déplace avec la cloison mobile 24 de la position de transport à2a position de travail et inversement. Le fait que le dispositif à soupape conforme à l'inven- tion ne comprend pas d'espaces fermés dans lesquels peuvent s'accumuler des déblais empêchant le fonctionnement normal du dispositif à soupape, permet de rendieplus fiable le fonctionnement et de prolonger la durée de vie de ce dispositif. La suppression de l'espace fermé est obtenue grâce au fait que le dispositif à soupape est partagé fonctionnellement endeux éléments distincts, dont l'un assure une étanchéité fiable, et l'autre, la chute de pression lors de la mise en marche des pompes se surface. Ceci est obtenu grâce à la présence, dans le dispositif à soupape, de la cloison percée de trous calibré- l'étanchéité fiable étant obtenue à l'aide de la queue de centrage dont est doté l'élément obturateur. Des dispositifs à soupape conformes à l'invention sont actuellement essayés dans les conditions de chantier 30. de forage. Certains d'entre eux ont totalisé plus de 300 heures de fonctionnement sans remplacement de leurs pièces. REVENDICATIONS Dispositif à soupape destiné notamment à être utilisé dans un train de tiges de forage au-dessus d'un moteur de fond volumétrique, du type comprenant un corps creux (1) ayant une entrée (2) pour un fluide de travail et une sortie (3) pour ce mêe fluide passant à travers des trous calibrés (6) créant une chute de pression, la paroi dudit corps étant percée de trous débouchants (4) le mettant en communication avec l'espace annulaire du puits, et un système d'obturation (12) servant à fermer ces trous pendant le forage, disposé dans le corps (1) et comprenant un siège (13) et un élément obturateur (14) sollicité par un ressort (17) et monté de manière à pouvoir se déplacer axialement sous l'action de ladite chute de pression et venir s'appliquer sur ledit siège (13), caractérisé en ce que dans la cavité du corps (1) du dispositif à soupape est disposée une cloison (5,5a) fermant sa section transver- sale et montée au-dessus des trous débouchants (4) de la paroi dudit corps, les trous calibrés (6) étant pratiqués dans cette cloison (5, 5a), et en ce qu'une chambre ouver- te (7) est disposée dans la cavité du corps (1), dans la zone des trous débcuchants (4), cette chambre communiquant avec les trous (4) et étant montée de manière à former entre elle et le corps (1) des canaux débouchants (10) pour le passage du fuiude de travail, le siège (13) du système d'obturation (12) étant fixé suivant le périmètre de la partie supérieure ouverte de la chambre (7), et ledit élément obturateur (14) étant muni d'une queue (15, 25) dont l'extrémité inférieure se trouve au moins au niveau de la face supérieure de la cloison (5, 5a). 3 - 2. Dispositif à soupape selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison (5) est rigidement fixée dans le corps (1), que les trous calibrés (6) sont disposés suivant sa périphérie, et qu'un trou (16) est pratiqué en son milieu pour le passage de la queue (15) de l'élément il obturateur (14). 3. Dispositif à soupape selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cloison (24) est montée d'une manière mobile et que la queue (25) de l'é lément obturateur , (14) est rigidement liée à cette cloison.