Brevet FR2502237A1 — publié le 19820924

La présente invention concerne un agencement d'appui réglable pour coins de retenue de trains de tiges. Dans le contexte du forage et de la terminaison des puits de pétrole il est classique de disposer d'un équipement qui est monté à la tête du puits pour commander l'entrée et la sortie de ce dernier en présence de pressions varia- bles, de valeur élevée, et de températures importantes.Il est classique de faire courir les colonnes de tubage et les trains de tiges dans un puits à des fins diverses et de suspendre les trains à leur extrémité supérieure à l'inté- rieur de l'équipement de la tête de puits. Parfois, dans ce but, le train comporte près de son extrémité supérieure un étrier de suspension, lequel est assis dans l'équipe- ment de la tête de puits. Dans d'autres cas, la suspension est exécutée en déposant dans l'anneau séparant un siège situé dans l'alésage de l'équipement de la tête de puits et le train une cale annulaire, puis en comprimant cette cale (appelée généralement coin de retenue de conduite) de fa- çon à l'étendre dans le sens radial pour qu'elle se trou- ve en relation d'accrochage par friction avec le train de tiges. En général, après application de la force mise en place des coins de retenue, le moyen ou dispositif uti- lisé pour appliquer cette force est enlevé, étant donné 2. que les coins une fois mis en place ont tendance à le res- ter sous l'effet du poids exercé par le train de tiges se trouvant suspendu. Cependant, plus particulièrement dans le cas des puits ou l'amplitude du cycle de température est supérieure à la moyenne, par exemple entre les moments oi le puits produit des fluides chauds et ou il est fermé ou soumis à des opérations de réparation, il peut arriver dans les systèmes classiques que le train de tiges, en se détendant augmente effectivement le diamètre intérieur de la cale an- nulaire formée par les coins de retenue, mais que, lorsque le train se contracte, les coins ne soient pas resserrés et leur force-d'accrochage du train de tiges diminue sensible- ment et éventuellement d'une façon critique. La présente invention a pour objet un dispositif à longueur réglable, destiné à tre utilise dans l'applica- tion d'une force de mise en place à un jau de coins de re- tenue d'un train de tiges,par exemple dans uin puits de pé- trole. La longueur du dispositf est ctége et le dispositif monté sur un siège de la tête de puits de façon à consti- tuer une liaison mécanique entre les coins et une surf&ce présentée axialement sur une partie en recouvremer.t de la tête de puits. Grâce à cette interposition, les coins ne peuvent perdre leur force d'accrochage pendant la dilata- tion et la contraction des tiges suspendues. La présente invention sera bien cori.prise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: - La figure 1 est une vue partielle en coupe lon- gitudinale d'un équipement de tête de puits comportant le dispositif de la présente invention; La figure 2 est une vue partielle en coupe lon- gitudinale semblable à la moitié gauche de la figure 1, représentant un stade antérieur o le dispositif de la présente invention est utilisé pour appliquer la force de mise en place aux coins de retenue des tiges; et La figure 3 est une vue partielle en coupe lon- 3. gitudinale semblable à la moitié gauche de la figure 1 d'une variante du dispositif de la présente invention adaptée à un autre type de complétion de puits. Dans la figure 1, le dispositif de la présente invention est représenté en 10;en dehors de la présence du dispositif 10, la figure 1 représente une complétion typi- que classique de puits de pétrole dont la description est la suivante. Une tête de tubage 12 est représentée après ins- tallation dans l'orifice d'un puits. La tête de tubage 12 comprend un corps tubulaire 14 comportant un alésage longi- tudinal 16 orienté dans le sens vertical.La tête de tubage 12 se termine à sa partie supérieure par une bride 18 qui est fixée de manière étanche à la partie supérieure la plus proche de la tête de puits de façon à maintenir l'intégrité de l'espace confiné à l'intérieur de la tête de puits. Un train de tiges 20 est supporté dans le puits par un jeu de coins de retenue 22, c'est-à-dire par un en- semble ayant la forme d'une cale annulaire, qui est assis sur un siège circonférentiel 24 de l'alésage de la tête de tubage, et accroche par friction le train de tiges,par exemple au moyen de stries pratiquées dans un moyen de sur- face 26 présenté radialement vers l'intérieur. Ce moyen de surface accroche généralement dans le sens circonférentiel le train de tiges, extérieurement, près de l'extrémité su- périeure du train 20. Typiquement, l'ensemble formé par les coins de retenue comporte une bague de support 28 comprenant un siè- ge circonférentiel extérieur 30, dirigé vers le bas, grâce auquel l'ensemble est supporté sur le siège 24 de la tête de tubage. Sur cette bague de support 28, on a prévu typi- quement un moyen de bague élastique d'étanchéité 32 ayant une partie 34 qui est présentée radialement vers l'exté- rieur pour réaliser l'étanchéité avec l'alésage de la tête de tubage et une partie 36 qui est présentée radialement vers l'intérieur pour réaliser l'étanchéité avec la surface périmétrique radialement extérieure 38 du train de tiges. 4. Le jeu typique de coins de retenue comprend en outre un élément annulaire en forme de coupe 40 qui est claveté à la bague de support 28 en 42 de façon à être animé d'un mouvement axial relatif nécessaire à la charge axiale du moyen de bague d'étanchéité 32 lors de la mise en place des coins de retenue. L'élément annulaire en forme de coupe est supporté par la bague 28 en 44 et comprend, en tant que partie agrandie de forme spéciale de la partie supérieure de son alésage longitudinal 46,une cuvette 48. Typiquement, l'ensemble formé par les coins de retenue en 50 et 52 jus- te au-dessus et au-dessous de la partie radialement inté- rieure 36 du moyen de bague élastique d'étanchéité a un dia- mètre presque égal au diamètre intérieur libre de la partie 36, et seulement légèrement supérieur au diamètre extérieur de la surface extérieure 38 du train de tigesi. Ceci a pour but d'éviter l'extrusion du matériau d'étanchéité lorsque les coins de retenue sont mis en place. Cependant, comme in- diqué précédemment,au-dessus de la partie 52,1'alésage 46 débouche de façon à former une sorte de cuvette pour coins de retenue. A l'intérieur de la cuvette 48, une paroi cir- conférentielle 54 comporte une ou plusieurs surfaces de ca- lage 56 s'étendant circonférentiellement qui sont dirigées radialement vers l'intérieur et axialement vers le haut,par exemple suivant un angle inférieur à 45 par rapport à l'axe longitudinal du train de tiges. Dans l'exemple représenté, la cuvette 48 comporte deux surfaces de calage 56 contiguës dans le sens axial avec un épaulement à gradin 58 qui les sépare. Une pluralité de coins de retenue 60 sont reçus dans la cuvette 48. Chaque coin est un élément de calage ayant la forme représentée et, par exemple, une étendue an- gulaire de 15-90 ; par exemple, la pluralité de coins a col- lectivement la forme d'un anneau segmenté. Chaque coin com- porte sur sa paroi périphérique radialement extérieure 62 une ou plusieurs surfaces de calage correspondantes qui sont dirigées radialement vers l'extérieur et vers le bas, par exemple suivant un angle complémentaire à l'angle des 5. surfaces de calage respectives 56 de la cuvette. Dans l'exemple représenté, les coins de retenue comportent deux surfaces de calage 64 contiguës dans le sens axial à un épaulement à gradin 66 qui les sépare. Lorsque les coins de retenue ne sont pas encore en place, c'est-à-dire lorsque l'ensemble annulaire 22 est abaissé pour etre mis en place autour du train de tiges de façon à être assis sur le siège 24, les coins 60 se trouvent à une hauteur relativement éle- vé dans la cuvette 48,c'est-à-dire que les surfaces de ca- lage 64 sont facialement engagées mais situées à une hau- teur relativement importante des surfaces de calage respec- tives 56 avant la mise en place des coins. Les coins de retenue sont mis en place, par exemple en les poussant à F. de façon à les soumettre à un déplacement relatif dans le sens de la flèche 68 et, par raccourcissement dans le sens axial et extension dans le sens radial de l'anneau 22, à amener les surfaces striées 26 en contact d'accrochage avec la surface 38 du train. Souvent, l'étendue de la compression axiale de l'ensemble constitué par les coins de retenue est limitée par la disparition des espaces situés angulairement entre coins de retenue contigus,c'est-à-dire qu'au moment o les coins sont tous en contact avec le coin voisin, ils ne peuvent être encore plus enfoncés dans la cuvette. D'au- tres fois, l'étendue de la compression axiale de l'ensemble constitué par les coins est limitée par la propre limita- tion de l'amplitude de la force F de mise en place des coins. Dans la complétion classique typique, après mi- se en place des coins de retenue, la force F est simplement annulée,et les coins ont tendance à rester en place grace à l'inertie, à la friction et au poids du train de tiges suspendu. En général,l'équipement de la tête de puits est poursuivi après la mise en place des coins de retenue 60. Par exemple, dans la figure 1, une bride annulaire d'adaptateur de couvercle 70 est représentée montée sur la 6. bride supérieure 18 de la tête de tubage 12. L'étanchéité est réalisée entre ces deux éléments en 72 et ceux-ci sont maintenus serrés axialement,par exemple par un cercle de bou- lons tels que 74. Au-dessus de l'ensemble 22 constitué par les coins de retenue,l'alésage 76 de la bride annulaire 70 comporte urn anneau de garniture 78 qua est mis en oeuvre de façon à réaliser l'étanchéité circonférentielle entre l'alé- sage 76 et la surface périphérique radialement ext4rieure 38 du train de tiges. La partie supérieure de l'alésage 76 e;t aqranie dans le sens coaxial de façon à créer un videment annulai- re 80 débouchant vers le haut et radialement vers l'inté- rieur, qui comprend un siège 82 dirigé vers le haut dans le sens axial. Cet évidement 80 reçcoit une bague 84 d'étanchéi- té d'adaptateur qui s'appuie sur le siège 82 réalise l'étan- chéité avec l'alésage 76 en 86 et l'?tanchéité de la surface périmétrique radialement extérieure 38 du train de tiges en 88. Une autre partie de l'équipement de la tête de puits, par exemple une tête de colonne 90 est montée de ma- nière étanche sur la bride 70 de l'adaptateur de couvercle, par exemple avec une bague d'étanchéité 92 et un moyen d'as- sujetissement bride-contre-bride tel que le cercle de bou- lons 74. L'alésage, ou cavité centrale débouchant vers le bas, 94 de la tête de colonne ou analogue 90 est agrandi annulairement dans le sens coaxial près de son extrémité inférieure de façon à former un siège conique 96 dirigé vers le bas et radialement vers l'intérieur. La bague 84 comporte un rebord tubulaire 98 qui s'étend coaxialement dans l'embouchure de l'alésage 94 et est étanche vis-à-vis du siège 96 en 100. Ce que l'on considère comme étant différent des dispositifs de l'art antérieur, s'agissant de l'illustra- tion de la figure 1, est grandement centre sur la présence d'un dispositif 10 dans cet ensemble terminé. En liaison maintenant avec la figure 2, on procédera à l'explication de la façon avec laquelle on aboutit au dispositif 10 et de la fonction de ce dispositif. 7. La figure 2 représente le cas o le train de ti- ges 20 a été introduit dans l'alésage 16 de la tête de tu- bage, l'ensemble annulaire constitué par les coins de rete- nue abaissé dans la cuvette de la tête de tubage entre la tête et le train de tiges, et amené à reposer sur le siège 24. A ce stade, une autre structure, non représentée,est encore utilisée pour suspendre le train de tiges à partir du haut,car les coins de retenue ne sont pas encore mis en place. Jusqu'à ce qu'ils soient mis en place, les coins de retenue n'accrochent pas de façon fiable les tiges en 26. Les coins de retenue sont mis-en place en les poussant avec une force F comme cela a été expliqué précé- demment. Alors qu'un moyen quelconque peut être utilisé pour appliquer la force R, celle-ci est appliquée en figure 2 grâce à l'agencement d'appui réglable 10. Le dispositif est constitué d'un support annulaire 102 comportant un sabot ou bouchon annulaire 104 vissé en 106 au dispositif. En général, le support 102 comprend un corps tu- bulaire,radialement extérieur, 108 comportant à sa partie supérieure un rebord monobloc dirigé radialement vers l'in- térieur 110 de façon à définir un évidement annulaire 112 dans la zone radialement intérieure, axialement inférieure de la section du support 102. Cet évidement comporte une pa- roi radialement extérieure 114 qui est radialement en re- gard de l'intérieur et est filetée intérieurement en 116, et une surface supérieure axiale 118 dirigée vers le bas. Le sabot ou bouchon annulaire 104 comporte une surface radialement extérieure 120 qui est dirigée radiale- ment vers l'extérieur et comporte une bande de filets exté- rieurs 122. Le coin intérieur inférieur du sabot 104 est déga- gé suivant une partie inclinée,par exemple tronconique, en 124 suivant un angle apparié à l'angle de la surface conique 126 dirigée radialement vers l'extérieur et axialement vers le haut des coins de retenue. Le dispositif 10 est monté en introduisant par- tiellement le sabot 104 dans l'évidement 112 du support en 8. vissant une partie des filets 106. Lors de la mise en pla- ce des coins de retenue, le dispositif 10 est placé dans l'anneau "tête de tubage/train de tiges", au-dessus de l'ensemble constitué par les coins de retenue et abaissé jusqu'à ce que la surface 124 du sabot soit engagée facia- lement avec la surface conique 126 aie chacun des coins de retenue. On notera qu'à cause de la présente utilisation, le dispositif 10 n'est pas aussi condensé axialement qu'il le serait si le vissage était effectué-sur toute la lon- gueur du filetage 106, alors que, le sabot 104 venant en contact avec les coins de retenue 6O,-l'épaulement circon- férentiel extérieurdirigé axialement vers le bas 128 du support reste situé au-dessus et n'est pas à ce moment là assis sur l'épaulement circonférentiel complémentaire 130 dirigé axialement vers le haut,formé coaxiJalement dans l'alésage 16 près de l'extrémité supérieure de cet alésage. Cependant, des bagues annulaires d'étanchéité 132 et 134 prévues dans des gorges respectives débouchant radialement vers l'extérieur et radialement vers l'intérieur dans la partie supérieure du support au-dessus de l'épaulement 128 de l'évidement 112,respectivement, s'engagent respective- ment par coulissement et de manière étanche dans l'alésage 16 de la tête du tubage 12 et la surface périmétrique exté- rieure 38 du traiï de tiges. Les coins de retenue sont mis en place en exer- çant alors une poussée sur le support 102 avec une force F, en faisant appel à un moyen classique. Supposons maintenant que la figure 2 représente la structure juste après la mise en place des coins de re- tenue par application de la force F. On notera que la sur- face 136, dirigée axialement vers le haut, du support 102 se trouve audessus du niveau de la surface environnante 138, dirigée axialement vers le haut, de la tête de tubage 12. A ce stade, le dispositif 10 peut être enlevé axialement de l'espace annulaire dans lequel il est repré- senté comme étant reçu, et les deux parties 102, 104 peuvent être tournées l'une par rapport à l'autre, dans un sens per- 9. mettant de visser un peu plus le filetage 106, c'est-à-di- re de raccourcir le dispositif 10 dans le sens axial sui- vant la différence de hauteur entre le niveau des surfaces 136 et 138. Alors, le dispositif 10 ainsi ajusté peut être remis en place. Il apparaîtra maintenant, comme cela est représen- té dans la figure 1, que le côté inférieur du sabot sera engagé et appuiera axialement sur les coins de retenue et que le niveau de la partie supérieure du support en 136 cor- respondra à celui de la surface 138 de la tête 12. Dans le mode de réalisation représenté en figure 1, la bride annulaire 70 de l'adaptateur de couvercle comporte une surface annulaire dirigée axialement vers le bas 140 qui s'étend radialement vers l'intérieur suivant une lon- gueur suffisante pour recouvrir la surface 136 du support. (Si dans un puits particulier,la surface 140 n'est pas au même niveau que la surface 138, l'ajustage par vissage de la hauteur axiale du dispositif 10 permet alors d'amener la surface 136 à la hauteur de la surface 140, avec le support reposant sur son siège dans l'alésage de la tête). Ainsi, lorsque la tête de puits est montée, le dispositif 10 sert de liaison mécanique permettant d'éviter que les coins de retenue ne s'élèvent dans leur cuvette. Lorsque le train de tiges se dilate et se contracte, le dispositif 10 assure le maintien en place des coins de retenue. Une variante est représentée dans la figure 3. A des fins d'orientation, certaines pièces comparables ont reçu les mêmes numéros de référence que dans les figures 1 et 2,mais avec un prime. Les principales caractéristiques nouvelles sont que la bride 70 de l'adaptateur de couver- cle et le couvercle 90 sont combinés pour constituer une structure monobloc de couvercle 70'/90', le support 102 est intégré à l'élément d'étanchéité de l'alésage train de tiges-couvercle sous forme d'une structure de support monobloc 84'/102', et l'anneau de garniture 78 n'est plus placé entre l'élément 84 d'étanchéité et le support 102 mais en 78' au-dessus de la structure 84'/102'. La simplifi- 10., cation présentée par cet ensemble sera comprise de l'homme de l'art; la fonction assumée reste celle qui a été expliquée ci-dessus pour le mode de réalisation principal. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 11. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mise en place et de liaison pour tête de puits assemblée comprenant: - une tête ayant un alésage vertical dans lequel un train de tiges doit être suspendu à partir d'un moyen d'épaulement prévu dans l'alésage, par l'intermédiaire d'un ensemble annulaire constitué de coins de retenue, qui com- prend un noyende support assis sur le moyen d'épaulement,un élément formant une cuvette pour coins de retenue qui est supporté sur le moyen de support et un jeu de coins de rete- nue supporté dans la cuvette de manière à être en relation d'accrochage avec le train de tiges et à assurer par consé- quent une liaison dans un espace annulaire séparant le mo- yen d'épaulement de l'alésage de la tête et le train de ti- ges; et - une autre structure de tête de puits comportant un moyen permettant de la monter de manière amovible sur la tête de manière à la recouvrir; caractérisé en ce qu'il comprend - un support; - un sabot; et un moyen de hauteur réglable reliant le sabot au support; ce dispositif pouvant être reçu dans l'espace annu- laire, radialement entre le train de tiges et l'alésage de la tête,avec le sabot en relation de mise en place de coins de retenue avec les coins de retenue du train; le support comprenant un moyen pour placer le dis- positif dans l'alésage de la tête indépendamment de l'ensem-. ble constitué par les coins de retenue, de façon que le dis- positif puisse être abaissé dans l'espace annulaire et as- sis indépendamment par rapport à la tète, pourvu que le moyen de liaison soit ajuste de façon que le sabot ne vien- ne pas en prueier lieu en contact avec les coins de retenue dans ladite relation de mise en place des coins; et - le support comprenant un moyen de surface posi- tionné de façon à être en butée avec recouvrement avec l'au- 12. tre structure de la tête de puits lorsque le support est assis dans l'alésage de la tête via le moyen de placement, lors de l'ajustage correspondant du moyen de liaison, de sorte que ce moyen de liaison peut d'abord être ajusté afin de permettre au sabot de venir en contact avec les coins. de retenue du train en relation de mise en place des coins, avec le support en saillie au-dessus de l'endroit o son moyen de placement peut s'asseoir dans l'alésage de la tê- te pour recevoir une force dirigée vers le bas qui est ap- pliquée au support dans le but d'effectuer la mise en pla- ce des coins de retenue du train, puis être ajusté de fa- çon à permettre au support de s'asseoir dans l'alésage de la tête via son moyen de placement, avec le sabot en rela- tion de mise en place de coins de retenue par rapport aux coins,d'o il résulte que le dispositif est disposé de fa- çon à servir de liaison mécanique entre les coins de rete- nue et l'autre structure de la tête de puits, dans le but d'éviter que les coins de retenue du train ne soient dêpla- cés pendant le cycle thermique auquel le train de tiges est soumis. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le sabot et le support forment des anneaux respectifs. 3 - Dispositif selon la revendication 2,caractéri- sé en ce que le moyen de hauteur réglable reliant le sabot au support est constitué d'une liaison filetée entre le sabot et le support. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce que le support comprend une partie de bague en forme de L généralement inversé dans sa section longitudi- nale, de façon à avoir un évidement débouchant vers le bas et vers l'intérieur qui comporte une paroi axialement su- périeure et une paroi périphérique radialement extérieure, cette dernière étant filetée intérieurement; et - le sabot comprend une surface périphérique radia- lement extérieure qui est filetée extérieurement; - le filetage intérieur du support étant en prise 13. avec le filetage extérieur du sabot de façon à réaliser une liaison filetée constituant le moyen de hauteur régla- ble qui relie le sabot au support. - Dispositif selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que le sabot comprend une surface conique circon- férentielle présentée radialement vers l'intérieur et axialement vers le bas,qui est positionnée de façon à être en contact avec les coins de retenue dans le but de les mettre en place, de façon que, pendant qu'il est poussé axialement vers le bas, il ait tendance à solliciter les coins de retenue du train de tiges vers la cuvette et par conséquent radialement vers l'intérieur contre le train de tiges. 6 - Dispositif selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que le support comprend en outre un moyen d'étan- chéité s'étendant circonférentiellement, présenté extérieu- rement, pour assurer un contact étanche avec l'alésage de la tête et un moyen d'étanchéité s'étendant circonféren- tiellement, présenté intérieurement, pour réaliser un con- tact étanche avec le train de tiges. 7 - Dispositif selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que le support comprend une partie de bague ayant une surface extrême présentée axialement vers le haut, constituant le moyen de surface positionné de façon à être en butée en recouvrement avec l'autre structure de la tête du puits et a être soumis à la force dirigée vers le bas. 8 - Dispositif selon la revendication 7,caractéri- sé en ce que: - le support comprend en outre une partie tubulai- re s'étendant axialement vers le haut, basée en formant une pièce sur la partie de bague radialement intérieure de la surface extrême présentée axialement vers le haut; - cette partie tubulaire comportant un moyen annu- laire d'étanchéité prévu circonférentiellement dans le but d'assurer l'étanchéité avec l'autre structure de la tête de puits. 9 - Procédé de mise en place de coins de retenue 14. d'un train de tiges dans l'alésage d'une tête de puits de pétrole, assurant ensuite que la mise en place des coins de retenue ne sera pas perturbée par le cycle thermique au- quel est soumis le train de tiges saisi par les coins de retenue, caractérisé en ce qu'il comprend les éta- pes suivantes: - repassage d'un train de tiges dans un puits et sa suspension de façon que sa zone extrême supérieure soit disposée dans l'alésage de la tête avec un espace annulaire 1O entre le traini de tiges et la paroi de l'alésage; - le passage d'un ensemble constitué de coins de re- tenue dans l'espace annulaire et le placement de cet ensem- ble sur un premier épaulement de l'alésage avec les coins de retenue en contact avec le train de tiges; - la confection d'un dispositif annulaire de hau- teur réglable qui est dimensionné de façon à se monter co- axialement dans l'espace annulaire, et son ajustement de fa- çon à avoir une hauteur assez petite pour qu'une partie de sabot qu'il comporte vienne en cmnta-t avec les coins de re- tenue et maintienne une partie de support qu'il comporte à une certaine distance du dessus d'un second épaulement de l'alésage; - l'application à la partie de support d'une force dirigée vers le bas suffisante pour provoquer la mise en place par la partie de sabot des coins de retenue en rela- tion d'accrochage de ceux-ci avec le train de tiges; - l'ajustage du dispositif annulaire de hauteur ré- glable de façon que sa longueur soit suffisamment courte pour que, alors que la partie de sabot reste en contact avec les coins de retenue du train de tiges et évite que ceux-ci ne soient déplacés,l'épaulement dela partie de support puis- se s'asseoir sur le second épaulement et le placement de l'épaulement de la partie de support sur le second épaule- ment; et - le montage d'une autre structure de la tête de puits sur la tête en relation de butée avec recouvroeent avec la partie de support,de façon que le dispositif serve de liaison mécanique entre les coins de retenue du train de tiges et l'autre structure de la tête de puits.