Brevet FR2510703A1 — publié le 19830204

Joint d'étanchéité pour organe télescopique de puits. La présente invention concerne un joint d'étanchéi- té pour organes télescopiques de puits,applicable par exemple au cas du verrouillage non définitif de l'extrémité inférieure d'une colonne de tubes sur l'extrémité supérieu- re d'une conduite de puits de forage verticale, lorsqu'on manoeuvre la colonne de tubes depuis l'extrémité supérieure du puits Ce joint d'étanchéité est applicable également à d'autres organes devant être verrouillés après assemblage télescopique. Dans les dispositifs de verrouillage de ce type, ou autres dispositifs comprenant des organes télescopiques étanches, les joints sont assemblés et maintenus sur cet organe au prix d'efforts et de frais considérables Par exemple, du fait de la différence de pression régnant sur les deux côtés d'un anneau d'étanchéité lorsqu'un organe est amené en engagement télescopique ou retiré, cette circonstance est susceptible de provoquer l'extraction d'une garniture de type chevron classique de la gorge formée dans l'un des organes, et il est souvent nécessaire de rendre la garniture solidaire de la gorge En variante, on peut maintenir une garniture à chevron sur une partie de diamètre réduit de l'un de ces organes au moyen d'un écrou vissé sur son extrémité Toutefois, ceci rend nécessaire non seulement la fabrication de deux éléments reliés par vissage, mais aussi le fait que ces éléments soient fixés de façon étanche l'un par rapport à l'autre, ce qui crée une autre source de défaillance possible-. L'invention a pour objet un joint d'étanchéité qui comprend un premier organe ayant une surface cylindri- que pouvant être disposée télescopiquement par rapport à une surface cylindrique d'un second organe, le premier organe ayant une gorge circonférentielle autour de sa surface cylindrique qui est face à la surface cylindrique du second organe quand lesdites surfaces sont disposées télescopiquement Le joint comprend également un anneau d'étanchéité en matière élastomère conçu pour être disposé 2 2510703 à l'intérieur de la gorge, cet anneau d'étanchéité compre- nant un évidement sur son côté adjacent au moins à une lèvre annulaire faisant saillie de la surface cylindrique du pre- mier organe pour venir en engagement d'étanchéité avec la surface cylindrique du second organe Il comprend en outre un anneau de serrage ayant une forme circonférentielle lui permettant d'être déplacé axialement sur le premier organe pour parvenir à une position face à l'évidement dans l'anneau d'étanchéité, cet anneau de serrage pouvant être comprimé radialement pour l'amener étroitement contre l'évidement de façon à retenir ledit anneau d'étanchéité sur le premier organe. Quand le dispositif de verrouillage constitue une partie d'une installation de puits dans laquelle il est relié à l'extrémité inférieure d'une colonne de tubes en vue de verrouiller la colonne de tubes à l'extrémité supé- rieure d'une conduite de puits, on prévoit également un moyen pour assurer l'étanchéité entre le corps et l'autre organe quand le dispositif est ainsi verrouillé Ce moyen d'étanchéité qui est supporté autour de la partie d'enclen- chement prévue à l'extrémité inférieure de l'organe tubu- laire du corps pour former un joint avec l'alésage de la conduite de puits comprend des anneaux d'étanchéité en maté- riau élastomère pouvant être disposés à l'intérieur de gorges circonférentielles constituées dans la surface cylindrique de la partie d'enclenchement qui est opposée à la surface cylindrique de l'alésage Plus particulièrement, chaque anneau d'étanchéité comprend un évidement entre ses lèvres annu- laires situées du côté extérieur et qui font saillie de la surface cylindrique pour venir en contact d'étanchéité avec l'autre surface cylindrique, et un élément de serrage dont les dimensions sont prévues pour pouvoir se loger dans l'évidement de l'anneau d'étanchéité entre les lèvres et réalisé en un matériau relativement rigide pouvant être comprimé radialement à partir de sa forme d'origine, dont le diamètre interne lui permet de se déplacer axialement par rapport à la partie d'enclenchement pour parvenir dans une position face à l'évidement pour parvenir à une forme lui permettant de se loger étroitement autour de la gorge pour 3 2510703 y fixer l'anneau d'étanchéité qu'elle contient Les anneaux d'étanchéité assemblés de cette manière restent à l'intérieur de la gorge sans collage De plus, l'organe sur lequel ils sont assemblés n'a pas besoin d'être fileté pour recevoir un écrou de retenue taraudé de façon correspondante. Sur les dessins o les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments: La figure 1 est une vue en élévation d'un dispositif constitué selon un premier mode de réalisation de l'invention, lorsque l'extrémité inférieure de la colonne de tubes à laquelle le dispositif est relié est abaissée pour venir en engagement télescopique à l'intérieur de l'extrémité supérieure d'une conduite de puits. La figure 2 est une vue verticale à moitié en coupe du dispositif de la figure 1, lorsque la colonne de tubes est abaissée plus profondément en vue d'amener le corps du dispositif en engagement télescopique à l'intérieur de l'alésage de la conduite de puits et un épaulement de son élément porteur en appui sur un siège de la conduite de puits pour disposer des éléments de verrouillage supportés par l'élément porteur face à une gorge prévue à l'intérieur de la conduite de puits. La figure 3 est une vue à moitié en coupe du dispositif représenté à la figure 2, mais lorsque le corps est abaissé par rapport à l'élément porteur de manière à amener les éléments de verrouillage en positions de verrouil- lage à l'intérieur de la gorge de la conduite de puits et bloquer le corps pour qu'il ne puisse pas remonter par rapport à l'élément porteur. La figure 4 est une vue en coupe verticale et à plus grande échelle d'un anneau d'étanchéité monté sur la partie d'enclenchement de l'extrémité inférieure du corps selon un mode de réalisation de l'invention, et La figure 5 est une vue en coupe verticale à plus grande échelle d'un anneau d'étanchéité monté sur cette partie d'enclenchement selon un autre mode de réalisation de l'invention. Si l'on se réfère maintenant en détail aux dessins 4 2510703 ci-dessus, le mode de réalisation du dispositif représenté aux figures 1 à 3 et désigné dans son ensemble par la référence numérique 20 est relié à l'extrémité inférieure d'une colonne de tubes (non représentée) en vue de la verrouiller de façon télescopique à l'intérieur de l'extré- mité supérieure d'une conduite de puits 23 disposée générale- ment verticalement Comme cela est bien connu dans le domaine du forage et du conditionnement de puits de pétrole et de gaz, la conduite 23 peut être constituée par une tête de tube disposée au niveau de la ligne de la ceinture de boue d'une installation de puits au large des côtes, et la colonne de tubes peut être suspendue à une tête de puits à la sur- face de l'eau Quand il s'agit d'une installation de puits de ce type, l'opérateur doit pouvoir verrouiller et déver- rouiller l'extrémité inférieure de la colonne de tubes par rapport à la conduite de puits 23 en manipulant la colonne de tubes à la tête du puits, cette dernière pouvant être à une distance considérable au-dessus de la ceinture de boue. Comme décrit précédemment et comme représenté sur les dessins, le dispositif comprend un corps 21 comportant un organe tubulaire 24 ayant une extrémité supérieure prévue pour être reliée à la colonne de tubes et une extrémité inférieure 25 conçue pour s'enfoncer dans l'alésage 22 de la conduite de puits Plus particulièrement, l'extrémité inférieure 25 de l'organe tubulaire porte des anneaux d'étan- chéité S qui établissent un joint avec l'alésage 22 quand le dispositif est verrouillé alors qu'il est enfoncé téles- copiquement dans la conduite de puits Ainsi l'extrémité inférieure de l'organe tubulaire agit comme un organe d'enclenchement élastique qui détermine à la fois des joints d'étanchéité entre la colonne de tubes et la conduite de puits tout en constituant un passage traversant pour le courant. Le corps 21 comprend également un manchon 24 A entourant l'organe tubulaire 24 de manière à former un espace annulaire entre eux, dans lequel est disposé un élément porteur annulaire 26 supporté par le corps 21 L'élément porteur comporte un épaulement 27 à son extrémité inférieure, 2510703 dépendant de l'extrémité inférieure du manchon 24 A, destiné à venir reposer sur un siège 28 prévu à l'extrémité supérieure de la conduite de puits, lorsque l'extrémité inférieure 25 de l'organe tubulaire est enfoncée dans l'alésage de la conduite de puits Des éléments de verrouil- lage en forme de doigts 29 sont supportés par l'élément por- teur entre l'organe tubulaire 24 et l'élément porteur 26 de manière à disposer radialement des sections de verrouil- lage 29 A de plus grand diamètre prévues à leurs extrémités inférieures face à un évidement 30 constitué dans l'alésage de la conduite de puits quand l'élément porteur repose sur la conduite de puits, ainsi que le montre la figure 2. Des nervures 31 prévues sur les côtés externes des doigts de verrouillage se disposent à l'intérieur d'un évidement 32 constitué dans le diamètre interne de l'élément porteur pour permettre aux sections de verrouillage 29 A qui sont à leur extrémité inférieure de passer de leur posi- tion non verrouillée et radialement vers l'intérieur, représentée à la figure 2, et dans laquelle elles sont dégagées du dessous d'un épaulement 30 A constitué à l'ex- trémité supérieure de l'évidement 30, à leurs positions de verrouillage radialement vers l'extérieur telles que re- présentées à la figure 3 dans lesquelles elles sont situées au-dessous de l'épaulement Pour permettre ce mouvement de pivotement de doigts, le diamètre interne des extrémités inférieures de l'élément porteur audessous de l'évidement augmente vers l'extérieur et l'extrémité supérieure de l'élément porteur située au-dessus de l'évidement a un diamètre interne plus important. Des éléments de blocage se présentant sous la forme de segments 33 séparés circonférentiellement d'un écrou sont montés sur l'élément porteur 26 au-dessus des éléments de verrouillage de manière à se déplacer radiale- ment par rapport à ceux-ci entre une position interne dans laquelle ils sont en prise avec les filets 34 prévus sur le diamètre externe de l'organe tubulaire du corps, comme représenté à la figure 3, et une position externe dans la- quelle ils autorisent les filets 34 à se déplacer vers le bas 6 2510703 en passant sur le premier Quand les segments de l'écrou sont sollicités élastiquement pour venir en prise avec les filets 34 du corps, ils empêchent le corps à se déplacer vers le haut par rapport à l'élément porteur sauf quand on fait tourner le corps par rapport à l'élément porteur. D'un autre côté, les segments de l'écrou sont libres de se déplacer vers l'extérieur pour permettre aux filets 34 de passer audessus des filets des segments de l'écrou quand le corps descend par rapport à l'élément porteur de la posi- tion représentée à la figure 2 à celle représentée à la figure 3 Le mouvement vers le bas du corps est limité par un épaulement 36 prévu sur le corps et qui vient en contact avec un épaulement 36 A prévu sur l'élément porteur pour éviter aux filets 34 de glisser au-delà des segments de l'écrou, et également pour permettre que le poids du corps, et de ce fait le poids de la colonne de tubes, soit transmis par l'intermédiaire de l'élément porteur à la con- duite de puits. Quand on abaisse l'élément porteur 26 en direc- tion de sa position o il vient en appui sur la conduite de puits, comme représenté à la figure 2, le corps 21 est maintenu dans une première position verticale par rapport à l'élément porteur au moyen d'un ressort hélicoïdal 44 monté à l'intérieur d'un espace annulaire entre l'organe tubulaire et le manchon Ainsi, le ressort agit entre le corps et l'élément porteur de manière à faire parvenir un épaulement 45 prévu sur l'élément porteur en contact avec un joint 46 prévu sur l'organe tubulaire 24 Comme décrit précédemment, dans cette première position verticale du corps par rapport à l'élément porteur, les sections de ver- rouillage 29 A de diamètre plus important qui sont prévues aux extrémités inférieures des doigts 29 se placent en regard de l'évidement 30, les épaulements des extrémités inférieures de ces éléments pouvant alors pivoter vers l'ex- térieur au-dessous de l'épaulement 30 A prévu à l'extrémité supérieure de l'évidement. Un évidement 24 B est constitué dans le diamètre externe de l'organe tubulaire en vue de recevoir les côtés internes des sections de blocage 29 A de diamètre plus important lorsqu'elles sont dans leurs positions de déverrouillage représentées à la figure 2 Le diamètre externe de l'organe tubulaire situé au-dessus de l'évidement 24 B et au-dessous de l'épaulement 46 détermine une surface de came 24 C qui, en position soulevée du corps par rapport à l'élément porteur (figure 2), vient en contact avec des saillies 37 prévues aux extrémités supérieures des doigts 29 de manière à faire parvenir des sections de verrouillage 29 A hors de l'évidement, et de ce fait dans leurs positions de déverrouil- lage dans lesquelles les sections de verrouillage sont libres de se déplacer au travers de l'extrémité supérieure de la conduite de puits Dans le même temps, les filets 34 prévus autour de l'organe tubulaire sont situés au-dessus des filets prévus sur les diamètres interne des segments d'écrou 33, et ne sont donc pas en engagement de blocage avec ceux-ci. Quand l'élément porteur repose sur la conduite de puits de manière que les sections de verrouillage soient face à l'évidement 30, on ne retient plus le poids de la colonne de tubes de manière à faire descendre le corps 21 par rapport à l'élément porteur reposant sur son appui, et de ce fait par rapport aux doigts de verrouillage supportés par l'élément porteur Pendant la phase initiale de ce mouvement descendant du corps, l'extrémité supérieure de la surface à came 24 C située autour de l'organe tubulaire parvient au-dessous de la saillie 37 des extrémités supérieures des doigts 29, ce qui permet aux éléments de verrouillage de pivoter vers l'extérieur Le corps continuant à descendre, un épaulement 35 A de l'évidement 24 B vient en engagement avec un épaulement 35 des sections de verrouillage 29 A de manière à faire pivoter celles-ci vers l'extérieur dans l'évidement , et de ce fait en position de verrouillage au-dessous de l'épaulement 30 A Les sections de verrouillage étant ainsi disposées, la surface à came 24 C constituée autour de l'or- gane tubulaire glisse le long de leurs côtés internes de manière à les maintenir vers l'extérieur en position de verrouillage, comme représenté à la figure 3. Il peut se faire qu'il n'y ait pas un contact par frottement suffisant entre les sections de verrouillage et les éléments de verrouillage et l'épaulement 30 A pour éviter la rotation de l'élément porteur avec le corps pen- dant le dégagement du corps de son engagement par blocage avec l'élément porteur qui a été décrit ci-dessus C'est pourquoi une paire de fentes 39 est constituée à l'extré- mité supérieure de la conduite de puits pour recevoir les extrémités inférieures de taquets de blocage 40 supportés par l'élément porteur entre certains doigts de verrouillage 29. Des anneaux d'étanchéité qui sont disposés à ajustage serré dans des gorges 80 constituées dans le diamètre externe de la partie à enclenchement de l'extré- mité inférieure de l'organe tubulaire du corps sont réalisés en un matériau élastomère approprié qui comprend un évide- ment 81 sur son côté externe entre des lèvres annulaires 82 entourant ses extrémités supérieure et inférieure Les lèvres font saillie du diamètre externe de l'organe tubulaire sur une distance telle qu'elles viennent en contact serré et donc étanche avec le diamètre interne de l'alésage de la conduite de puits quand l'extrémité inférieure de l'or- gane tubulaire se déplace dans l'alésage. L'anneau d'étanchéité est retenu à l'intérieur de la gorge 80 au moyen d'un anneau de serrage 83 dont la largeur entre son extrémité supérieure et son extrémité inférieure est telle qu'il peut être disposé à l'intérieur et réaliser un serrage étroit dans l'évidement de l'anneau d'étanchéité de façon à le retenir dans la gorge L'anneau de serrage est réalisé en métal susceptible d'être comprimé circonférentiellement à partir d'une forme initiale qui, comme représenté en tiretés à la figure 4, permet de le déplacer axialement sur l'extrémité inférieure de l'organe tubulaire et de ce fait dans une position qui est latérale- ment face à l'évidement, pour parvenir à une forme grâce à laquelle, comme représenté en traits continus à la figure 4, il vient s'appliquer étroitement autour de l'évidement pratiqué dans l'anneau d'étanchéité Le choix du métal convenant à ce but est clair pour l'homme de métier, de même que le choix des outils convenant à la compression radiale de l'anneau de serrage. De préférence, des nervures 84 sont constituées sur le côté interne de l'anneau de serrage de manière que la force de serrage puisse être concentrée le long de petites surfaces aux extrémités supérieure et inférieure de l'évidement L'espace entre le fond de l'évidement et le côté interne de l'anneau de serrage, et l'espace entre les extrémités de l'évidement et les extrémités de l'anneau de serrage permettent à l'anneau d'étanchéité de gonfler. Naturellement, l'anneau de serrage a une épaisseur telle que lorsqu'il est serré dans l'évidement son diamètre externe ne fasse pas saillie sur la surface cylindrique externe de l'organe tubulaire 24, et ne vienne donc pas interférer avec le mouvement de l'extrémité inférieure de l'organe tubulaire permettant de venir en position à l'intérieur de l'alésage de la conduite de puits. L'anneau d'étanchéité S peut respirer dans le cas o du fluide s'accumule à l'arrière de son côté interne. Ainsi, plusieurs trous 85 sont constitués dans cet anneau pour relier son côté interne à l'espace situé entre le côté interne de l'anneau de serrage et le fond de l'évide- ment 81, et l'anneau de serrage 83 comprend un ou plusieurs trous 86 destinés à relier cet espace avec le côté externe. L'autre mode de réalisation de l'anneau de serrage qui est représenté à la figure 5 et qui est désigné dans son ensemble par la référence S est logé étroitement dans une gorge 80 ' pratiquée dans l'organe tubulaire et dont la section transversale est en forme de queue d'aronde pour faciliter le maintien de l'anneau d'étanchéité à l'intérieur de la gorge Les lèvres 82 ' prévues aux extrémités supé- rieure et inférieure de l'anneau d'étanchéité ont également des surfaces convergeant en direction radiale vers l'exté- rieur à partir des extrémités supérieures qui sont adja- centes à l'intersection de l'évidement avec la surface cylindrique de l'organe tubulaire Ainsi, la lèvre supé- rieure a pour fonction de constituer un joint s'opposant à une pression exercée de façon prédominante en direction vers le haut, et la lèvre inférieure a pour fonction de constituer un joint contre une pression s'exerçant de façon prédominante vers le bas Ceci constitue un avantage par exemple quand la partie d'enclenchement de l'extrémité in- férieure de l'organe tubulaire du corps est soulevée et dégagée de son engagement télescopique dans la conduite de puits, du fait qu'elle permet d'éliminer une pression s'appliquant de façon prédominante en direction vers le haut dès que la lèvre supérieure passe au-delà du rebord supérieur de l'alésage situé sous la gorge 30. L'anneau de serrage 83 ' est réalisé en un matériau lui permettant de fonctionner de façon générale de la même manière que l'anneau de serrage 83 du mode de réalisation de la figure 4 En d'autres termes, il peut être comprimé radialement à partir de sa forme initiale qui lui permet de se déplacer axialement sur l'extrémité de l'organe tu- bulaire et parvenir à une position face à l'évidement 81 ', jusqu'à une position dans laquelle il est étroitement serré autour du fond de l'évidement pratiqué dans l'anneau d'étanchéité pour retenir ce dernier dans la gorge de l'élé- ment tubulaire. Comme dans le cas du premier mode de réalisation, le diamètre interne de l'anneau de serrage comprend égale- ment des nervures 84 ' constituées sur lui et venant s'en- gager dans l'évidement de l'anneau de serrage au niveau de ses extrémités supérieure et inférieure De même, un ou plusieurs trous 85 ' sont prévus dans l'anneau d'étanchéité S pour relier son diamètre interne à l'espace situé entre le côté interne de l'anneau de serrage et le fond de l'évi- dement 81 ', et l'anneau de serrage 83 ' comprend un ou plusieurs trous 86 ' constitués pour relier ledit espace à son côté externe. il 2510703 REVENDICATIONS 1 Joint d'étanchéité, comprenant un premier organe ayant une surface cylindrique pouvant être disposée télescopiquement par rapport à une surface cylindrique d'un second organe, le premier organe ayant une gorge cir- conférentielle ( 80) autour de sa surface cylindrique qui est face à la surface cylindrique du second organe quand lesdites surfaces sont disposées télescopiquement, un anneau d'étanchéité (S) en matériau élastomère conçu pour être disposé à l'intérieur de la gorge, cet anneau d'é- tanchéité comprenant un évidement ( 81) sur son côté adja= cent au moins à une lèvre annulaire ( 82) faisant saillie de la surface cylindrique du premier organe pour venir en engagement d'étanchéité avec la surface cylindrique du second organe, et un anneau de serrage ( 83) ayant une forme circonférentielle lui permettant d'être déplacé axialement sur le premier organe pour parvenir à une position face à l'évidement dans l'anneau d'étanchéité, cet anneau de serrage pouvant être comprimé radialement pour l'amener étroitement contre l'évidement de façon à retenir ledit anneau d'étanchéité sur le premier organe. 2 Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement est prévu entre les lèvres annulaires disposées sur le côté de l'anneau d'étanchéité. 3 Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface cylindrique du premier organe est sur son côté extérieur en vue d'être disposée télescopi- quement à l'intérieur de la surface cylindrique sur le côté interne du second organe. 4 Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gorge et l'anneau d'étanchéité ont une forme en queue d'aronde en section transversale. Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que les surfaces externes des lèvres convergent Vune vers l'autre à partir de leurs rebords terminaux qui sont sensiblement au ras des extrémités adjacentes de la gorge. 6 Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'anneau de serrage comprend des nervures axialement espacées sur son pourtour en vue de se presser étroitement contre l'évidement de l'anneau d'étanchéité dans les parti-es adjacentes à ses coins. 7 Joint selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'anneau d'étanchéité comprend un trou reliant son côté interne qui est adjacent à l'évidement à un espace prévu sur le côté interne de l'anneau-de serrage entre les nervures, et en ce que l'anneau de serrage comprend un trou reliant l'espace au côté externe dudit anneau de serrage.