Brevet FR2520829A1 — publié le 19830805

La présente invention concerne un joint métal sur métal Dans les puits profonds de gaz à haute température que l'on fore actuellement, certains joints de la tête de puits peuvent être soumis & des pressions internes attei- gnant 21 M Pa, et doivent pouvoir être maintenus en place sans être surveillés ni entretenus, et rester fiables pen- dant une durée de plusieurs années dans des environnements o la place des températures de fonctionnement auxquelles les joints sont soumis peut s'étendre de -60 WC à + 3001 C. Dans l'art antérieur, on utilise dans les têtes de puits des joints d'étanchéité ayant la forme de bagués métalliques dans des brides boulonnées et assujettis en- tre des extrémités comportant des surfaces ayant un profil conique spécial Cependant, on a découvert que ces bagues d'étanchéité de l'art antérieur ne sont pas entièrement sa- tisfaisantes lorsqu'elles sont utilisées dans un tel en- vironnement à haute pression et haute température On a trouvé que des joints élastiques ne sont pas totalement fiables à cause de leur résistance insuffisante à l'atta- que des agents chimiques et de leur mauvaise tenue aux températures de fonctionnement élevées. Dans un type classique très utilisé d'ensemble d'étanchéité, un joint métallique est écrasé contre des c 8 nes, tels que des bagues de 1 American Petroleum Insti- 2. tute (Institut américain du pétrole) Des raccords ont été conçus qui fournissent une valeur prédéterminée de la lon- gueur de filetage male dépassant du filetage femelle après vissage de deux parties de manière à obtenir un écra- sement adéquat de l'élément intermédiaire d'étanchéité. Dans un autre dispositif de l'art antérieur, un joint du type bague est disposé de manière à être exposé à la pres- sion interne d'une manière telle qu'une augmentation de la pression provoque la propre augmentation de la pression de mise en oeuvre de la bague d'étanchéité de manière à éviter des fuites sous haute pression. Dans le but de disposer d'un joint annulaire mé- tal sur métal destiné à êtreutilisé dans l'environnement haute pression typique d'une tête montée sur un puits de gaz à haute pression, haute température, en particulier sur la circonférence entre la surface extérieure d'une partie tubu- laire et la surface intérieure d'une partie relativement massive, o ces parties doivent avoir une position longitu- dinale fixe l'une par rapport à l'autre lors de la marche 2 Q on détermine la résistance dont on dispose pour réaliser le joint; on prévoit des surfaces coniques identiques sur les deux parties de façon à obtenir un ajustement à serrage lors- que les deux parties sont amenées jusqu'à la position longi- tudinale fixe; on usine certaines zones de la surface exté- rieure de la partie tubulaire de manière à faire apparaî- tre des surfaces coniques planes, par exemple dans deux bandes proches axialement l'une de l'autre, de sorte que lorsque les deux parties sont amenées à assumer la position longitudinale fixe, les bandes d'étanchéité forment un joint 3 Q élastique qui évite une déformation plastique totale tout en assurant la charge unitaire requise, La présente inven- tion s'applique aux nombreux types d'anneaux d'étanchéité tronc Qniques, La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue partielle en coupe longi- tudinale d'une tête de puits (finition partielle) représen- 3, tant deux cas d'utilisation d'un joint métal sur métal se- lon la présente invention; La figure 2 est une vue partielle éclatée en coupe longitudinale, à grande échelle, de la zone repré- sentée en trait mixte de la figure 1, lors d'un premier stade de fabrication; La figure 3 est une vue partielle longitudinale en élévation du couvercle de tubage de la figure 1, à l'échelle de la figure 2; La figure 4 est une vue partielle en coupe lon- gitudinale, à une échelle encore plus grande, du couvercle de tubage; et La figure 5 est une vue partielle en coupe lon- gitudinale de la partie de l'ensemble située à l'intérieur de la zone délimitée 'par le trait mixte de la figure 1, à l'échelle de la figure 2. En liaison avec la figure l,une partie appropriée de la tête d'un puits de gaz profond est représentée en 10. On a omis de nombreuses pièces entourant le puits et si- tuées dans son voisinage comme l'ont été des pièces inté- rieures se montant ultérieurement En figure 1, on ne s'intéresse qu'i la moitié droite d'un ensemble générale- ment cylindrique dont l'axe est représenté en 12. En général, la figure 1 représente une installa- tion typique o L le joint de la présente invention peut être utilisé. Un élément 14 représente une tête de tubage qui comporte une bride supérieure d'extrémité 16, un alésage longitudinal 18, un siège 20 de bride de support, un siège 3 Q 22 d'ensemble de maintien de tubage, et une rainure conique circonférentielle classique 24 qui est pratiquée dans la surface supérieure extrême de manière & recevoir une bague d'étanchéeté dite AP,, (American Petroleum Institute), A l'tntérieur de l'alésage 18, une bride de support 26 monte l'extrémité supérieure d'une colonne de tubage 28 sur la tête de tubage gr Ace à des coins de retenue 3 Q qui s'enga- gent dans une large bande circonférentielle de la surface extérieure du tubage à un endroit proche de l'extrémité 4, supérieure du tubage 28 mais pas au droit même de ce tuba- ge Un ensemble réglable 32 de retenue de tubage est monté dans la tête de tubage/anneau de tubage de façon à être en contact avec les coins de retenue en 46 et à être retenu à son tour, par contact en 34 avec le côté inférieur d'un adaptateur 36 de tête de tubage/tête de colonne de produc- tion installé ultérieurement, Fondamentalement, cette par- tie est constituée par une bride annulaire épaisse 38 com- portant des rainures coniques destinées à des bagues A P I. respectives 40, 42 dans ses surfaces extrêmes inférieure et supérieure. Le tubage 28 est en saillie vers le haut, au-de- là de sa liaison mécanique de suspension à la tête de tuba- ge, et entre dans l'alésage:44 d'un adaptateur 36 tête de tubage/colonne de production, A un endroit situé vers le haut,l'alésage 44 a un diamètre plus grand et cela par deux fois, de manière à former un épaulement inférieur 48 et un épaulement supérieur 50, Une garniture annulaire 51 est re- çue dans l'anneau formé entre l'adaptateur 36 et le tubage 2 q 28, et une bague de compression 53 est placée au-dessus de cette garniture Ensuite, un chapeau de tubage 52 formé de deux c Ones et une colonne de production 54 sont montés Un cercle de boulons dont l'un est représenté en 56 est instal- lé, les boulons traversant les trois brides, c'est-à-dire la bride supérieure extrême 16 de la tête de tubage, la bride 38 de l'adaptateur et la bride inférieure extrême 58 de la colonne de production 54, et chaque boulon 56 est serré de manière appropriée de façon à coordonner l'exécution d'un certain nombre d'objectifs d'une manière plus ou moins si- multanée; (A) le c Oté inférieur de l'adaptateur 36 pousse vers le bas la surface supérieure de l'ensemble réglé de retenue du tubage pour qu'elle soit de niveau avec la sur- face supérieure extrême de la tête de tubage, (B) La bgaue A,P 1, inférieure 40 est particu- lièrement écrasée entre lea rginures coniques dans lesquel- les elle est reçue en coopérant avec celles-ci. (C) Le chapeau 52 du tubage est assis sur l'épau- , lement supérieur 50, poussant ainsi vers le bas la surface supérieure extrême de la bague de compression 53 pour la mettre de niveau avec cet épaulement, et comprimant ainsi axialement et peut être étendant radialement la garniture 51 de manière à ce qu'elle forme un joint entre le tubage 28 et l'adaptateur 36 (Le joint peut être en outre mis en oeuvre par injection d'un matériau plastique, d'un fluide pressurisé, par l'intermédiaire d'un raccord muni d'un cla- pet à une voie (non représenté), dans l'orifice 60). (D) Un joint est réalisé entre l'extérieur du tu- bage 28 et l'intérieur du chapeau de tubage en 62. (E) Le côté inférieur de la colonne de production 54 pousse le chapeau 52 vers le bas,de sorte que celui-ci se trouve-assis sur l'épaulement supérieur 50. (F) Un joint est réalisé en 64,entre le chapeau 52 et l'adaptateur 36, (G) La bague A,P I, supérieure 42 est partiellement écrasée entre les rainures coniques dans lesquelle elle est reque; et (H) Un joint est réalisé en 65 entre l'extérieur du chapeau 52 et l'intérieur de la colonne de production 54. La réalisation de tous les agencements précédents (A)-(H) par serrage des moyens de blocage 56 est devenue classique;ce qui est différent dans la présente invention concerne la structure et la réalisation des joints prévus en (D) et (H) Comme leur conception est similaire,on décrira ci- après le joint prévu en (H) et cette description servira d'illustration pour le joint prévu en (D). Il apparaîtra que pendant le serrage des boulons 56,le chapeau 52 et la colonne de production 54 sont amenés à prendre une position télescopique présélectionnée l'un par rapport à l'autre;l'étendue de l'incursion du col 66 du cha- peau 52 dans l'alésage 68 de la colonne de production est li- xitée par la venue en butée de l'extrémité supérieure de l'adaptateur et de l'exteémlté inférieure de la colonne de production en 7 Q, La présente invention prévoit un profil spécial de la surface extérieure de l'extrémité supérieure de la partie tubulaire, o elle est en contact avec la paroi de 6, l'alésage de la partie relativement massive l'entourant, par exemple, là of l'extrémité supérieure du col 66 du cha- peau est en contact avec la colonne de production 54 au niveau de la bride 58, o cette colonne est assez massive. Cette caractéristique spéciale fait l'objet d'une nouvelle description en liaison avec les figures 2 à 4. En figure 2, la surface extérieure du col 66 du chapeau en 72 et la surface intérieure de l'alésage de la colonne de production en 74 comportent des bandes èirconfé- rentielles coniques correspondantes Si la bande 72 touche Juste la bande 74 au moment o est effectué le dernier tour de serrage des boulons 56, un joint se trouvera établi, mais avec une pression d'étanchéité nulle Si une telle construction était mise en service, elle n'absorberait pas la plus grande partie d'une élévation de pression survenant à l'intérieur de la tête de puits avant qu'une charge iné- gale, une dilatation inégale et/ou une déformation du col du chapeau permettent la libération de la pression entre les faces d'étanchéité 72 et 74, Par conséquent, si on don- ne à la bande 72,sur la totalité de sa longueur, un rayon plua grand, une quantité constante X, celle-ci sera davan- tage en contact avec la bande 74 avant que les boulons 56 ne soient serrés à fond, et la poursuite du serrage des boulons 56 provoquera une charge élastique de la bande 72 contre la bande 74 A la limite, si X est trop grand, le serrage à fond des boulons 56 pourra se traduire par une déformation permanente catastrophique du col du chapeau Par conséquent, la valeur de la contrainte de compression à la- quelle la bande 72 peut être soumise en toute sécurité est 3 Q l'objet de calculs classiques de mécanique, et on peut en déduire la valeur de X qui produira la valeur acceptable de la contrainte, S'agissant du type d'équipement de tête de puits 1 Q pour lequel l'invention a été mise au point, la surface usuelle du siège et des bandes d'étanchéité en 72, 74 est si grande que, lorsque X est rendu aussi grand qu'il peut l'être en toute sécurité en faisant appel à des calculs classiques de mécanique, la valeur de la pression de con- 7. tact sous forme de force par unité de surface est considé- rée comje insuffisante pour contenir de hautes pressions (par exemple 210 M Pa), dans la plage attendue des tempéra- tures internes (-60 C à 300 C) Par conséquent, et de pré- férence, la plus grande partie de la bande 72 est usinée suivant une quantité uniforme Y, laissant deux bandes plus étroites Bl, B 2, o le rayon complémentaire reste augmenté de la quantité X Ainsi, lorsque l'équipement est monté et que les boulons 56 sont serrés à fond, le joint 65 entre la surface extérieure du col 66 du chapeau'et l'alésage de la colonne de production 54 n'est réalisé que là o les ban- des B 1,B 2 sont amenées à former un ajustement à serrage avec la surface 74 La surface des bandes B 1, B 2 est rendue suf- fisamment petite pour que la valeur de la pression de con- tact sous forme de force d'étanchéité par unité de surface fournie lors du serrage des boulons 56 soit considérée com- me suffisante pour contenir la haute pression maximum de flui- de qui est attendue dans la plage des températures internes. Cependant, les bandes B 1, B 2 sont rendues suffisamment grandes pour que, bien que pouvant se déformer quelque peu en étant amenées à interférer avec la surface 74, et bien que la surface 74 puisse par la suite se trouver quelque peu déformée, et bien que la zone extérieure extreme du col tubulaire 66,étant circonférentiellement soumnise à une telle contrainte de compression puisse se déformer quelque peu, aucune de ces réactions ne se traduise par une déformation totalement irrécupérable Bien qu'il puisse se produire un certain écoulement plastique, il reste une certaine con- trainte élastique non libérée permettant un retour en arriè- re lors d'un desserrage ultérieur volontaire des boulons 56. De préférence, les bandes 72 sur lesquelles sont formées les bandes B 1, B 2 ont des diamètres de base compris entre 2,5 et 38 centimètres, et une conicité d'environ 100 m par 30 centimètres ( 18 15 ' 30 ") ou moinst bien que la présente invention puigse s'appliquer à des bagues d'étan- chéité cane double rainurées au centre (par exemple les bagues dites Grayloc de la société dite Gray Tool Company, Houston, Texas), dont certaines peuvent avoir des surfaces 8. d'étanchéité présentant un angle inclus plus grand. Il apparaîtra maintenant que le joint métal sur métal venant d'être décrit, présente chacun des attributs dont il a été question au début de la présente description. L'appréciation de certaines des valeurs de mesu- res indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo-saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exem- ples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 9, REVENDICATIONS 1 Joint métal sur métal destiné à être utilisé dans un environnement à haute pression typique d'une tête de puits, qui est montée sur un puits de gaz o règnent des pressions élevées et de hautes températures, caractérisé en ce qu'il comprend: une partie tubulaire ( 28 ou 52) ayant une surfa- ce circonférentielle extérieure conduisant à une extrémi- té; une partie relativement massive ( 52 ou 58) com- portant une chambre interne (par exemple, son alésage) avec une surface circonférentielle intérieure ( 74 ou non réfén- rencée); la partie tubulaire étant coaxialement reçue au moins en partie dans la chambre interne de façon que la sur- face circonférentielle intérieure de la partie relativement massive entoure la surface circonférentielle extérieure de la partie tubulaire; des moyens de fixation réglables ( 56) associés à la partie tubulaire et à la partie relativement massive pour faire entrer par emboîtement la partie tubulaire dans la chambre interne de la partie relativement massive jusqu'à obtention d'une disposition axiale relative prédéterminée de ces parties; la surface circonférentielle intérieure ayant une certaine conicité, la surface circonférentielle exté- rieure étant dégagée de manière à avoir une conicité sensi- blement complémentaire sur la plus grande partie de son éten- due axiale, mais ayant au moins une bande étroite dans la- quelle une nervure circonférentielle en saillie respective (B 1 ou B 2) est formée extérieurement sur la partie tubulai- re sur et en un endroit intermédiaire de l'étendue axiale de la surface circonférentielle extérieure, cette bande étroite étant en saillie suivant une quantité telle que, lorsque les moyens de fixation réglables sont ajustés pour que la partie tubulaire et la partie massive soient amenées à prendre la disposition axiale relative prédéterminée, la nervure de la partie tubulaire est ajustée avec serrage 10. sur la surface circonférentielle intérieure conique de la partie relativement massive, avec un engagement circonféren- tiel élastique qui est essentiellement caractérisé par un écrasement incomplet de la nervure. 2 Joint métal sur métal selon la revendication 1, caractérisé en ce que la nervure est constituée par deux nervures situées à une courte distance l'une de l'autre (Bl, B 2) ayant chacune une surface extérieure dans le sens radial qui forme un cbne complémentaire à la surface circonférentiel- le intérieure conique de la partie relativement massive. 3 Joint métal sur métal selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la partie re- lativement massive est une colonne de production ( 54) et la partie tubulaire est le col d'un chapeau ( 52) de tubage. 4 Joint métal sur métal selon la revendication 3, caractérisé en ce que, à la position axiale prédéterminée; l'ajustement avec serrage de la nervure sur la surface cir- conférentielle intérieure est suffisant pour former un joint. Joint métal sur métal selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la partie relati- vement massive est le corps d'un chapeau ( 52) de tubage et la partie tubulaire est une partie marginale supérieure ex- treme d'un tubage ( 28). 6 Joint métal sur métal selon la revendication 5, caractérisé en ce que, à la position axiale prédéterminée, l'ajustement avec serrage de la nervure sur la surface circon- férentielle intérieure est suffisant pour former un joint. 7 Joint métal sur métal, caractérisé en ce qu'il comprend: 3 Q une partie relativement massive ( 54 ou 52) com- portant un alésage ( 68 ou sans référence) muni d'une partie de surface conique dirigée en majeure partie radialement vers l'intérieur dans une bande circonférentielle formant un siège d'étanchéité ( 74 ou sans référence); une autre partie ( 52) ou ( 28) ayant une paroi tubulaire qui, près d'une extrémité, comporte une partie de surface conique dirigée en majeure partie radialement vers l'extérieur dans une bande circonférentielle, des moyens four- 11. nigsant une pluralité de nervures circonférentielles soli- daires proche axialement les unes des autres (B 1, B 2) sur la partie de surface conique dirigée radialement vers l'ex- térieur,en un endroit intermédiaire de l'étendue axiale de cette bande circonférentielle,ces deux nervures ayant des surfaces circonférentielles radialement extérieures qui sont disposées de faqon à permettre un contact étendu par surfa- ce avec le siège d'étanchéité; un moyen ( 56) pour tirer ensemble la partie re- lativement massive et l'autre partie dans le sens axial sui- vant une étendue prédéterminée sensiblement fixe, sur quoi les surfaces circonférentielles radialement extérieures des deux bandes forment un ajustage élastique serré avec le siè- ge d'étanchéité,