Brevet FR2501281A1 — publié le 19820910

L'invention concerne la production de pétrole à partir du fond de la mer jusqu'à une plate-forme à câbles tendus, et plus particulièrement un ensemble à connecteur pour raccorder la colonne de production du fond de la mer à la tête de puits de la plate-forme à câbles tendus. Les puits de pétrole en mer peuvent être forés à partir d'une plate-forme flottante, puis mis en produc- tion, par la suite, à partir d'une plate-forme à câbles tendus installée ultérieurement. Un tel procédé exige la descente de colonnes de tubage à partir du pont de la plate- forme jusqu'à la tête de puits située au fond de la mer. Un tube de production est ensuite descendu, des têtes de production en surface sont installées et le puits est mis en production de manière classique. Lors de la descente d'un tube-guide et de sa fixation sur la tête de puits, l'alignement axial entre cette dernière et le tube-guide pose un problème. La demancde de brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 120 200, déposée le 11 Février 1980, décrit une solution apportée à ce problème. Un entonnoir orienté vers le bas, présen- tant deux surfaces d'appui, entoure la tête de puits et réalise l'alignement angulaire. L'alignement final est obtenu lorsque le connecteur est amené en butée avec le bord supérieur de la tête de puits o le joint est réalisé. Dans le cas o la production s'effectue au moyen d'une plate-forme fixe, il ne se produit aucun mouvement supplé- mentaire une fois la connexion réalisée. Cependant, une plate-forme à câbles tendus introduit un mouvement de l'extrémité supérieure de la colonne. Par conséquent, un tube-guide de grand diamètre est soumis à des déforma- tions et des contraintes excessives pour une déviation donnée. Une colonne de production de plus faible diamètre est préférable, car un mouvement de déport donné engendre de plus faibles contraintes. Cependant, même avec le tube-guide plus petit, la connexion sur la tête de puits est soumise à des moments de flexion répétés et variables en fonctionnement normal. Il en résulte un desserrage ou même un mouvement du joint et une perte de son étanchéité à la pression. Par consé- quent, il serait préférable d'utiliser un dispositif évitant la défaillance du joint par suite des déviations de la colonne de production. L'invention concerne un ensemble à connecteur destiné à raccorder une tête de puits sous-marine à une plate-forme à câbles tendus, comprenant un dispositif de suspension du tubage qui est supporté et monté de manière étanche à l'intérieur de la tête de puits. Le connecteur lui-même, qui est fixé à la colonne de production, comprend à la fois un joint de raccordement et un élément de guidage destinés à limiter les déviations. Le joint de raccordement est un cylindre creux, allongé verticalement, dont l'extré- mité supérieure est reliée rigidement à l'élément de guidage. La partie inférieure de ce cylindre s'ajuste dans la tête de puits et présente une surface d'étanchéité de manière qu'un joint puisse être utilisé pour assurer l'étanchéité avec une surface d'étanchéité du dispositif de suspension de tubage. L'élément de guidage comprend un entonnoir orienté vers le bas qui entoure la tête de puits et coopère avec la surface extérieure de cette tête à des niveaux supérieur et inférieur afin de limiter la déviation angulaire du joint de raccordement par rapport à la tête de puits. Des moyens sont également prévus pour soumettre le joint à une précharge axiale. La déviation angulaire permise par l'élément de guidage et la flexibilité du joint de raccordement sont telles que le moment de flexion transmis lors d'un mouvement de la colonne de production n'engendre pas de mouvement des surfaces d'étanchéité ou même, de préférence, une perte de la précharge du joint d'étanchéité. Le joint de raccordement est fixé et le joint d'étanchéité est soumis à une précharge axiale au moyen de filets internes présentés par le dispositif de suspension de tubage, au-dessous de la surface d'étanchéité, et d'un manchon de serrage qui présente des filets extérieurs entrant en prise avec ces filets intérieurs. Le manchon de serrage comporte un épaulement tourné vers le bas qui porte contre un épaulement tourné vers le haut et présenté par le joint de raccordement afin que ce dernier puisse être comprimé vers le.bas pour appliquer la précharge souhaitée. Des surfaces de butée situées au sommet du dispositif de sus- pension du tubage et à l'extrémité inférieure du joint de raccordement, limitent le mouvement de compression du joint. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: s la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'un ensemble à connecteur selon l'invention et d'une partie de la tête de puits; et la figure 2 est une coupe longitudinale partielle d'un détail de la zone du joint. Conformément à la pratique normale pour le forage de puits sous-marins,une tête de puits 10 est fixée rigide- ment sur un tubage extérieur 12 de 50 cm et est ainsi assu- jettie au fond de la mer. Un dispositif 16 de suspension maintient un tubage 14 de 34 cm à l'intérieur du tubage de 50 cm. Un joint 18, sollicité par un écrou 20 de serrage, assure l'étanchéité entre le- tubage de 34 cm et la tête de puits. Une colonne 22 de 25 cm est supportée au moyen d'un dispositif supérieur 24 de suspension. Ce dispositif de suspension repose sur une surface 26 du dispositif de suspension du tubage de 34 cm. Le dispositif de suspension du tubage de 34 cm est lui-même supporté et positionné sur un épaulement 28 de la tête de puits. Etant donné que cet épaulement est usiné dans la tête de puits, la position précise de chacun des dispositifs de suspension est connue, soumise aux tolérances de fabrication des éléments. Un joint supplémentaire 30, sollicité par un écrou 32 de serrage, assure l'étanchéité entre le disposi- tif 24 de suspension de la colonne de 25 cm et la tête de puits 10. Le serrage sollicite ce joint par une rotation relative de filets extérieurs 34 de vissage du dispositif de suspension afin que l'écrou 32 de serrage exerce une force orientée vers le bas sur ce joint. Une bague 36 de blocage empêche toute possibilité de mouvement vers le haut du dispositif de suspension. Par conséquent, l'étanchéité entre la colonne intérieure 22 de 25 cm et la tête de puits est réalisée, le problème restant de connecter cette colonne à une plate- forme à câbles tendus, située à la surface de l'eau et pouvant prendre des positions comprises dans une plage limitée. En raison de la plage de positions de la plate- forme et du mouvement correspondant de la colonne, le tronçon principal et central du tube-guide 38 de la colonne présente un diamètre extérieur de 25 cm. Ce diamètre réduit diminue la contrainte s'exerçant pour- un mouvement donné de la plate-forme et diminue également les moments de flexion imposés à la plate-forme et la tête de puits. Le tronçon inférieur 40 du tube-guide 38 est évasé afin de présenter un diamètre extérieur plus grand qui raidit la partie du tube-guide située immédiatement au-dessus de la tête de puits. Une connexion à brides est réalisée entre le tube-guide et un connecteur 42 de la tête de puits afin d'établir une liaison résistante et rigide. Le connecteur 42 comprend un joint 44 de raccor- dement qui est relié rigidement à un entonnoir 46 orienté vers le bas. La tête de puits 10 présente une surface supé- rieure 48 d'appui et l'entonnoir présente une surface supé- rieure 50 d'appui dont le diamètre n'est que légèrement supérieur à celui de la surface d'appui de la tête de puits. Cette dernière présente également une surface inférieure 52 d'appui et l'entonnoir présente une surface inférieure correspondante 54 d'appui. La surface intérieure présentée par l'entonnoir entre les deux surfaces d'appui est de plus grand diamètre, une surface inclinée 58 étant située immé- diatement au-dessous de la surface supérieure d'appui. L'entonnoir peut également comprendre, à son extrémité inférieure, un élément évasé orienté vers le bas afin de faciliter le guidage initial. Lorsque le tube-guide, portant le connecteur, est abaissé vers la tête de puits, la surface inférieure 54 d'appui s'ajuste sur la tête de puits malgré un certain défaut d'alignement angulaire. En glissant vers le bas sur la tête de puits, la surface inclinée 58 amène à force le tube-guide en alignement jusqu'à ce qu'un alignement final soit obtenu par coopération entre les surfaces d'appui 48 et 50, à la partie supérieure, et les surfaces d'appui 52 et 54 à la partie inférieure. D'une manière plus importante, l'entonnoir 46 constitue un élément de guidage qui a pour fonction de limiter sa déviation angulaire et celle du joint 44 de raccordement, relié rigidement, par rapport à la tête de puits. Lorsque la plate-forme à câbles tendus, qui se déplace, provoque un mouvement horizontal de l'extrémité supérieure du tube-guide 38, la tête de puits tend à se déplacer horizontalement et à fléchir. Ceci est limité initialement par l'interaction de la surface 50 de l'en- tonnoir et de la surface 48 de la tête de puits. Pour limiter la poursuite de la flexion autour de ce point de contact, la surface inférieure 54 de l'entonnoir porte contre la surface inférieure 52 de la tête de puits, limitant ainsi la rotation du connecteur 42 de la tête de puits. Une plus grande résistance au moment de flexion dépend de la solidité de la tête de puits 10. On peut voir que la limitation de la déviation angulaire, par suite de l'interaction de l'entonnoir et de la tête de puits, dépend des jeux subsistant entre les surfaces en butée décrites. Le jeu entre les surfaces supérieures 48 et 50 est le plus critique. On doit laisser, à cette partie supérieure, un jeu juste suffisant entre le diamètre intérieur de l'en- tonnoir et le diamètre extérieur de la tête de puits pour assurer l'emmanchement de l'entonnoir sur la tête de puits. Un jeu de huit dixièmes de millimètre sur le diamètre est raisonnable. Le jeu diamétral entre les surfaces inférieures 52 et 54 est également important, mais pas aussi critique que celui indiqué ci-dessus. Cependant, un jeu diamétral similaire d'environ 0,8 mm est considéré également comme satisfaisant. Le joint 44 de raccordement est un cylindre creux, allongé verticalement, dont l'extrémité supérieure est reliée rigidement à l'entonnoir ou élément de guidage 46. Le diamètre extérieur de la partie inférieure de ce joint est inférieur au diamètre intérieur de la tête de puits afin qu'il s'ajuste dans cette dernière, avec une surface 60 d'étanchéité proche de son extrémité inférieure. Une surface 62 de butée est en contact avec une surface 63 de butée présentée par le bord supérieur du dispositif 24 de suspension lorsque le joint 44 de raccordement est complètement serré vers le bas. Une douille ou un manchon 64 de serrage constitue un élément permettant de serrer vers le bas le joint 44 de raccordement et de soumettre le joint 66 d'étanchéité à une précharge axiale. L'extrémité supérieure de cette douille présente des filets extérieurs 68 qui peuvent entrer en prise avec des filets 70 situés dans le connecteur 42 de la tête de puits. Ces filets maintiennent la douille en position élevée, tandis que le tube-guide est descendu à partir de la plate-forme. Après que le tube-guide a été descendu de manière que l'enclenchement entre l'entonnoir et la tête de puits soit réalisé, la douille est tournée au moyen d'un outil qui est descendu dans le tube-guide et qui s'enclenche dans des trous oblongs 72. La douille 64 descend alors jusqu'à une position dans laquelle elle flotte et, sous l'effet de la poursuite de la rotation, les filets exté- rieurs 74, situés à l'extrémité inférieure de la douille 64, entrent en prise avec des filets intérieurs 76 situés sur le dispositif 24 de suspension du tubage. En poursui- vant la rotation de la douille, on fait porter un épaule- ment 78, tourné vers le bas et présenté par la douille, contre un épaulement 80 tourné vers le haut et situé sur le joint de raccordement. Le connecteur est ainsi tiré vers le bas jusqu'à ce que la surface inférieure 62 de butée porte contre la surface supérieure 63 de butée du dispositif de suspension. Au cours de cette opération, le joint d'étanchéité 66 est soumis à une précharge, l'écarte- ment des éléments étant tel qu'une précharqc approoriée résulte du mouvement physique donné. Les forces de compres- sion appliquées par l'intermédiaire de la douille 64 de serrage dépassent celles demandées pour précharger le joint d'étanchéité, pour des raisons indiquées ci-après. Si ce n'était pour limiter la déviation établie par l'interaction de l'entonnoir de guidage et de la tête de puits, tout mouvement de l'extrémité supérieure du tube- guide 38 provoquerait l'application au joint 66 d'étanchéité de la totalité du moment de flexion appliqué au joint de raccordement. Il en résulterait un relâchement de la pré- charge sur le côté du joint de raccordement placé sous traction et même, le cas échéant, un mouvement et une sépa- ration du joint d'étanchéité. Avec certains types de joint d'étanchéité, la perte de précharge fait apparaître un ris- que de fuite et le frottement de la surface du joint d'étanchéité entraîne une détérioration de cette surface. L'entonnoir limitant la déviation angulaire per- mise, le moment de flexion transmis au joint d'étanchéité est plus faible. L'extrémité supérieure du joint de raccor- dement se déplace sur la distance permise et tourne sur l'angle limité à partir de l'axe central de la tête de puits. Ce mouvement a pour effet de renvoyer le moment de flexion à l'emplacement du joint d'étanchéité, ce moment de flexion dépendant de la raideur en flexion du joint 44 de raccordement. L'amplitude du moment de flexion transmis est réduite lorsque la longueur du joint de raccordement est grande, son diamètre petit et l'épaisseur de sa paroi faible. Par conséquent, la flexibilité du joint de raccor- dement doit être telle que, avec la déviation limitée don- née, le moment de flexion transmis à l'emplacement du joint d'étanchéité ne provoque pas une diminution de la précharge de ce joint d'étanchéité. La charge axiale établie à l'in- térieur du joint de raccordement lors du serrage de la douille 64 doit être suffisante pour établir la précharge du joint d'étanchéité et, de plus, pour résister au moment de flexion sous l'effet de cette déviation limitée ainsi que de toutes forces verticales qui peuvent être appliquées au tube-guide de production par le dispositif tendeur à partir de la plate-forme. Lorsque le joint d'étanchéité ne perd pas de son efficacité par perte de précharge, la relation entre la déviation permise et la flexibilité du joint de raccor- dement doit être telle qu'aucun mouvement des surfaces d'étanchéité par rapport au joint ne se produit. La hauteur réelle de l'entonnoir par rapport à la tête de puits peut varier légèrement par rapport à celle prévue en raison de l'accumulation des tolérances entre le support inférieur 28 de suspension de tubage et l'entonnoir 46 en passant par les divers éléments. Par conséquent, les surfaces supérieures 48 et 50 qui agissent l'une sur l'autre, en particulier, ainsi que les surfaces inférieures 52 et 54, qui agissent également l'une sur l'autre, doivent être verticales. Ceci assure le maintien du jeu constant malgré certaines variations des hauteurs relatives des deux éléments. Pour maintenir la tolérance étroite au point supérieur d'interaction sur la tête de puits tout en main- tenant la facilité d'abaissement de l'entonnoir sur la tête de puits, le diamètre extérieur de la tête de puits, à la surface supérieure 48, doit être généralement inférieur au diamètre nominal de la tête de puits et de son corps central 82. Il apparaît à présent que l'on a ainsi réalisé un joint structurel rigide et un joint d'étanchéité entre le dispositif de suspension de tubage et la colonne de tubes-guides. La précharge exercée sur le joint de raccor- dement est supérieure à celle nécessaire au joint d'étan- chéité, et la flexibilité du joint 44 de raccordement limite l'amplitude du moment de flexion transmis à l'emplacement du joint d'étanchéité pour une déviation axiale fixe à l'extrémité supérieure du joint de raccordement. Cette déviation angulaire est en elle-même limitée par l'inter- action entre la tête de puits et l'élément de guidage ou entonnoir 46. Par conséquent, on obtient une connexion étanche qui permet le mouvement de la plate-forme à câbles tendus sans détérioration du joint d'étanchéité vers le dispositif de suspension de tubage. REVENDICATIONS 1. Ensemble à connecteur pour raccorder une tête de puits sous-marine (10) à une plate-forme à câbles tendus, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (24) de suspension de tubage supporté et monté de manière étanche à l'intérieur de la tête de puits et présentant une surface d'étanchéité, un connecteur (42) qui comprend un joint (44) de raccordement et un élément (46) de guidage pour limiter les déviations, le joint de raccordement com- prenant un cylindre creux, allongé verticalement, dont l'extrémité supérieure est reliée rigidement à l'élément de guidage et dont le tronçon inférieur présente un dia- mètre extérieur inférieur au diamètre intérieur de la tête de puits, ce cylindre présentant également une surface (60) d'étanchéité, l'élément de guidage comprenant des éléments qui coopèrent avec la tête de puits afin de limi- ter la déviation angulaire du joint de raccordement par rapport à la tête de puits, un joint circonférentiel (66) d'étanchéité étant disposé entre les surfaces d'étanchéité du dispositif de suspension et du joint de raccordement, et des éléments étant destinés à exercer une précharge axiale sur le joint d'étanchéité, entre le dispositif de suspension et le joint de raccordement. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de suspension de tubage présente des filets intérieurs (76) à un niveau inférieur à celui de ladite surface d'étanchéité, le joint de raccordement présentant un épaulement intérieur (80) qui est tourné vers le haut, lesdits moyens destinés à exercer une précharge axiale sur le joint d'étanchéité comprenant un manchon (64) de serrage qui présente un épaulement extérieur (78), tour- né vers le bas et-destiné à s'appliquer sur ledit épaule- ment tourné vers le haut, et des filets extérieurs (68) destinés à entrer en prise avec lesdits filets intérieurs. 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface d'étanchéité du joint de raccordement est située à proximité de son extrémité inférieure. 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de suspension de tubage présente, à son extrémité supérieure, une surface (63) de butée, le joint de raccordement présentant à son extrémité inférieure une surface (62) de butée, lesdits moyens destinés à exercer une précharge axiale sur le joint d'étanchéité comprenant les filets extérieurs et l'épaulement extérieur qui sont espacés afin d'amener les surfaces de butée du dispositif de suspension et du joint de raccordement en contact après l'entrée en prise des filets extérieurs et intérieurs. 5. Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface d'étanchéité du dispositif de suspen- sion de tubage est située à l'intérieur de ce dispositif, à proximité de son extrémité supérieure. 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que la surface d'étanchéité du joint de raccordement comprend une surface (60) qui est inclinée vers le bas et vers l'extérieur, la surface d'étanchéité située à l'inté-: rieur du dispositif de suspension comprenant une surface qui est inclinée vers le haut et vers l'extérieur, ledit joint (66) comprenant un anneau métallique cylindrique dont le bord extérieur présente des surfaces supérieure et infé- rieure d'étanchéité destinées à coopérer, respectivement, avec les surfaces d'étanchéité du joint de raccordement et du dispositif de suspension. 7. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de guidage comprend une structure annu- laire qui présente une première surface (50) destinée à buter contre la tête de puits, à un niveau supérieur et dont le diamètre est proche de celui de la surface (48) de la tête de puits contre laquelle la structure annulaire bute, et une seconde surface (54) orientée vers l'intérieur et destinée à buter contre la tête de puits, à un niveau infé- rieur (52), le diamètre intérieur de cette surface n'étant que légèrement supérieur au diamètre extérieur de la tête de puits, au niveau auquel cette surface doit buter contre ladite tête. 8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite structure annulaire comprend un entonnoir (46) orienté vers le bas, ladite première surface destinée à buter contre la tête de puits étant une surface (50) tournée vers l'intérieur et dont le diamètre intérieur est proche du diamètre extérieur de la tête de puits, au niveau auquel cette surface doit buter contre ladite tête. 9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que la première surface et la surface de butée de la tête de puits sont verticales, de manière que le même jeu soit maintenu entre les surfaces de butée malgré de légères différences de hauteur. 10. Ensemble selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 9, caractérisé en ce que la déviation angulaire permise par l'élément de guidage et la flexibilité du joint de raccordement sont en relation telle que le moment de flexion transmis auxdits moyens destinés à appliquer une précharge axiale ne provoque pas de mouvement desdites surfaces d'étanchéité par rapport au joint d'étanchéité. 11. Ensemble selon la revendication 10, carac- térisé en ce que le moment transmis ne provoque pas de perte de la précharge du joint d'étanchéité.