Brevet FR2519065A1 — publié le 19830701

Des blocs obturateurs sont utilisés pour mattriser la pression régnant à l'intérieur de puits de pétrole et de gaz au cours du forage et de la complétion de ces puits. Des blocs obturateurs annulaires, du type auquel l'inven- tion a trait, comprennent une garniture élastique annulaire unique logée dans un corps comportant des moyens à l'aide desquels la garniture peut être amenée en contact étanche avec une partie d'un train de tiges traversant le bloc obturateur, ou avec elle-même pour obturer un puits lors- qu'aucun train de tiges ne traverse le bloc obturateur. Un bloc obturateur annulaire est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 572 627 La gar- niture ou packer utilisée dans ce bloc comporte un anneau élastique présentant une série circulaire d'éléments rigides rapportés qui s'étendent à travers cette garniture et dont les deux extrémités comportent des ailes extrêmes formant diaphragme qui se déplacent pour constituer un support d'extrémité pour l'anneau élastique lorsque ce dernier est comprimé radialement vers l'intérieur par des pistons. Ceux-ci sont disposés autour de l'anneau élastique pour exercer une force radiale directe orientée vers l'inté- rieur sur cet anneau élastique D'autres blocs obturateurs annulaires utilisent une déformation axiale de l'anneau élastique pour déplacer ce dernier radialement vers l'in- térieur jusqu'à des positions d'obturation Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 4 099 699, N O 2 287 205, No 3 667 721, No 3 323 773, No 2 148 844, N O 2 812 197 et NO 2 846 178 décrivent des exemples de blocs obturateurs annulaires de l'art antérieur. L'application d'une force axiale sur l'anneau élastique d'un bloc obturateur annulaire est plus simple et moins coûteuse que l'application d'une force radiale # relativement uniforme sur ce même anneau élastique L'uti- lisation d'une force axiale avec l'anneau élastique décrit dans le brevet N O 3 572 627 précité serait impossible, car les éléments rapportés rigides empêcheraient toute défor- mation axiale effective de l'anneau. Cependant, il est souhaité que, lorsqu'une telle force axiale est appliquée à l'anneau élastique, les élé- ments rapportés supérieurs, tels que décrits dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 06/137 549, déposée le 4 Avril 1980, produisent une action de diaphragme pour déplacer leurs extrémités intérieures vers l'intérieur afin de supporter une partie de l'anneau élastique se déplaçant vers l'intérieur jusqu'à une position d'obturation. L'invention concerne un bloc obturateur annulaire perfectionné comportant une garniture annulaire perfection- née Le bloc obturateur comprend un corps, une garniture annulaire et un piston destiné à appliquer une force axiale à la garniture annulaire Cette dernière comprend un anneau élastique qui présente une série circulaire d'éléments rapportés rigides enclenchés les uns avec les autres, encastrés dans la face supérieure de l'anneau, ces éléments rapportés s'élargissant vers le haut et vers l'extérieur et, par conséquent, leurs extrémités intérieures étant plus épaisses que leurs extrémités extérieures afin qu'elles se déplacent vers l'intérieur lorsque l'anneau élastique est déplacé vers l'intérieur, des saillies latérales et des épaulements, en s'enclenchant dans des évidements des élé- ments rapportés, assurant un mouvement vers l'intérieur sensiblement uniforme des extrémités intérieures des élé- ments rapportés jusqu'à des positions intérieures présélec- tionnées pour constituer un appui supérieur uniforme pour l'anneau élastique Une autre série circulaire d'éléments rapportés peut être encastrée dans la face inférieure de 1 'anneau élastique. L'invention a pour objet un bloc obturateur annu- laire perfectionné de construction simple et d'une durée de vie utile relativement longue L'invention a pour autre objet une garniture annulaire perfectionnée destinée à un bloc obturateur annulaire comportant un appui supérieur mobile vers l'intérieur lorsque l'anneau élastique est déplacé vers l'intérieur L'invention a également pour objet une garniture perfectionnée qui présente une protection améliorée contre l'extrusion lorsqu'elle est fermée et t qu'elle retient une certaine pression L'invention a pour autre objet un bloc obturateur annulaire perfectionné qui peut être actionné de nombreuses fois vers une position d'obturation, sans qu'apparaissent des détériorations empê- chant de prolonger son utilisation. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une élévation, avec coupe par- tielle, de la forme préférée de réalisation du bloc obtura- teur annulaire perfectionné selon l'invention dont la garniture est en position de relâchement ou d'ouverture; la figure 2 est une vue de dessus de la garniture dans sa position de relâchement ou d'ouverture; la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2, montrant la garniture dans sa position d'obtura- tion ou de fermeture; la figure 4 est une coupe partielle suivant la ligne 4-4 de la figure 2; la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 1, mais montrant la garniture du bloc obturateur en position de fermeture ou d'obturation; et la figure 6 est une vue en plan à échelle agran- die de deux éléments rapportés, montrant leur enclenchement. Le bloc bbturateur annulaire perfectionné 10 selon l'invention, tel que représenté sur les figures 1 et 5, comprend un corps annulaire 12 traversé par un alésage ver- tical 13, un piston annulaire 14, un anneau 16 de retenue, un anneau 1-8 de verrouillage et une garniture ou packer 20 Le corps 12 comporte une bride inférieure 22 reliée à un col 24, un rebord annulaire 26 s'élevant du col 24 et une partie annulaire extérieure 28 de corps qui s'étend radialement vers l'extérieur du col 24 et s'élève autour et à distance du rebord 26 Une chambre 30 est constituée par l'espace annulaire ccmpris entre le rebord 26 et la partie 28, au-dessous de l'extrémité inférieure de l'anneau 16 de retenue Le piston 14 est logé et mobile partielle- ment à l'intérieur de la chambre 30, comme représenté Un canal 32 traverse la partie 28 du corps et débouche dans la chambre 30 afin d'amener un fluide sous pression contre la face inférieure du piston 14 pour faire monter ce der- nier, et d'évacuer des fluides lorsque le piston 14 descend. Un canal 34 traverse la partie 28 du corps et débouche dans la chambre 30 afin d'amener un fluide sous pression à la face supérieure du piston 14 pour le faire descendre, et d'éva- cuer des fluides lorsque le piston 14 monte. La garniture ou le packer 20, de forme annulaire, comme décrit ci-après, est disposé dans un évidement 37 entre un épaulement 36 de l'anneau 16 de retenue et l'ex- trémité supérieure d'un rebord annulaire 38 du piston 14. Ce rebord annulaire 38 du piston 14 porte contre l'extré- mité inférieure de la garniture 20 Ainsi, lorsque le piston 14 s'élève, son rebord 38 exerce une force axiale sur la garniture 20 L'épaulement 36 empêche la garniture 20 de s'élever et la surface intérieure 40 de l'anneau 16 de retenue empêche tout mouvement radial vers l'extérieur de la garniture 20, de manière que cette dernière puisse être amenée dans sa position de fermeture ou d'obturation telle que montrée sur la figure 2. La garniture 20, qui est représentée plus en détail sur les figures 2, 3, 4 et 6, comprend un anneau élastique 42, une série circulaire supérieure d'éléments rigides rapportés 44 disposés, liés et encastrés dans la surface supérieure de l'anneau 42, et une série circulaire infé- rieure d'éléments rigides rapportés 46 liés et encastrés dans la surface inférieure de l'anneau 42 Les éléments rigides rapportés 44 présentent, en plan, une forme trian- gulaire et s'amincissent vers le haut et vers l'extérieur afin que les extrémités intérieures soient plus épaisses que les extrémités extérieures La longueur des extrémités intérieures des éléments rapportés 44 est suffisante pour assurer leur mouvement vers l'intérieur, avec le mouvement de l'anneau 42, et pour assurer leur pivotement vers l'in- térieur, comme représenté sur la figure 3 Dans la position relâchée d'ouverture de l'anneau, telle que montrée sur la figure 2, les éléments rapportés 44 de forme triangulaire sont inclinés sur l'axe de la garniture et butent les uns contre les autres de manière que, lorsque le piston annu- laire 14 se déplace vers une position de fermeture telle que montrée sur la figure 3, les éléments rapportés 44 tournent à la façon d'un iris vers des positions moins inclinées et se déplacent radialement vers l'intérieur. Ceci accroit le soutien de l'anneau par une augmentation des longueurs radiales utiles (c'est-à-dire des dimensions radiales) des éléments rapportés. Des éléments rapportés rigides 46 peuvent être identiques aux éléments rapportés 44, ou bien ils peuvent être à peu près analogues aux éléments rapportés 44, hormis qu'ils peuvent être de forme inverse de celle des éléments 44 afin d'exécuter les mêmes mouvements relatifs que ceux des éléments 44 Il semble que l'utilisation d'éléments rapportés rigides 46, identiques aux éléments 44, soit avantageuse Lorsque les éléments rapportés 46 sont ac- tionnés, leur rotation opposée à celle des éléments rappor- tés 44 provoque une légère torsion de l'anneau 42 Cette torsion semble favoriser l'ouverture de l'anneau 42. Comme décrit, lorsqu'il est déformé axialement, le mouvement de l'anneau élastique 42 provoque un pivote- mènt des éléments rapportés 44 pour qu'ils supportent l'extrémité supérieure de l'anneau élastique 42 Ce mouve- ment des éléments 44 peut être considéré comme un mouve- ment d'iris, car il provoque une réduction du diamètre du support utile constitué par les éléments rapportés 44. Les éléments rapportés 46 produisent une action d'iris similaire. Chaque élément rapporté 44 présente un évidement 48 s'étendant le long d'un côté et une saillie 50 s'éten- dant le long de l'autre côté L'évidement 48 aboutit à peu de distance de l'extrémité intérieure de l'élément rapporté 44 afin de former un épaulement 52 contre lequel porte l'extrémité intérieure de la saillie adjacente 50 lorsque l'un des éléments rapportés avance davantage vers l'inté- rieur que l'élément rapporté adjacent De cette manière, on obtient un moyen constituant f 9065 un support uniforme pour la partie supérieure de l'anneau élastique 42 lorsque ce dernier est fermé sur un tube ou sur lui-même. Au cours des opérations effectuées normalement sur un puits, le piston 14 est dans sa position basse et la garniture 20 est relâchée afin de présenter une ouver- ture complète qui est au moins aussi grande que l'alésage 13 comme montré sur la figure 1 Lorsque l'on souhaite fermer l'obturateur 10, un fluide sous pression est intro- duit au moyen du canal 32 dans la chambre 30 et le canal 34 est relié à un dispositif d'écoulement convenable (non représenté) Ceci provoque un mouvement de montée du pis- ton 14 afin que le rebord 38 déforme axialement la garni- ture 20 Cette déformation déplace l'anneau 42 vers Pinté- rieur, comme montré sur la figure 5 De plus, les éléments rapportés 44 et 46 pivotent et se déplacent radialement vers l'intérieur jusqu'à la position montrée sur la figure 3 afin d'accroître l'appui sur la partie centrale de l'anneau 42 Le relâchement de l'anneau 42 est obtenu par l'élimination de la pression exercée sous le piston 14 par l'intermédiaire du canal 32 et l'application d'une pres- sion de fluide au-dessus du piston 14 par l'intermédiaire du canal 34 Ceci provoque un déplacement du piston 14 vers la position montrée sur la figure 1 et permet à la garniture 20 de revenir dans sa position d'ouverture com- plète. Comme représenté, l'extrémité intérieure de chaque saillie 50 porte contre l'épaulement 52 situé à l'extrémité de l'évidement adjacent 48 afin de faire prendre aux extré- mités intérieures des éléments rapportés 44 et 46 une dis- position sensiblement circulaire lorsque la garniture 20 est fermée. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au bloc obturateur décrit et repré- senté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Bloc obturateur annulaire, caractérisé en ce qu'il comporte un corps annulaire ( 12) qui présente une chambre annulaire intérieure( 30) s'étendant axialement et des orifices ( 32, 34) traversant le corps pour déboucher dans des extrémités opposées de la chambre, un élément ( 16) présentant un épaulement ( 36) faisant saillie vers l'inté- rieur et tourné vers le bas, à l'intérieur du corps, une garniture annulaire ( 20) disposée à l'intérieur du corps et dont une extrémité porte contre l'épaulement, et un piston annulaire ( 14) logé dans la chambre et comportant un rebord ( 38) portant contre l'extrémité de la garniture opposée à celle en contact avec l'épaulement, l'applica- tion alternée d'une pression aux extrémités opposées de la chambre provoquant un déplacement du piston contre la garniture afin de déformer cette dernière entre le piston et ledit épaulement pour qu'elle prenne une position inté- rieure d'obturation, le piston pouvant être éloigné de l'épaulement pour permettre à la garniture de se relâcher vers sa position d'ouverture, ladite garniture comprenant un anneau élastique déformable ( 42) qui présente un bord périphérique intérieur, et plusieurs éléments rapportés ( 44) formant un iris, encastrés dans l'extrémité supérieure de l'anneau élastique et s'amincissant vers le haut et vers l'extérieur afin que leurs extrémités intérieures présen- tent une épaisseur accrue qui s'étend sur une partie de la longueur de l'anneau, à sa surface périphérique intérieure, sur une distance sensiblement inférieure à la longueur axiale présentée par l'anneau lorsqu'il est complètement déformé. 2 Bloc obturateur annulaire selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens ( 48, ) qui réalisent un enclenchement entre des éléments rapportés adjacents afin de déplacer uniformément leurs extrémités intérieures vers une position prédéterminée d'appui lorsque ledit anneau est déformé. 3 Bloc obturateur annulaire selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que chaque élément rapporté présente un évidement ( 48) s'étendant le long de l'un de ses bords et aboutissant à un épaulement ( 52) espacé de son extrémité intérieure, et une saillie ( 50) s'étendant le long de l'autre de ses bords, la saillie étant disposée dans l'évidement de l'élément rapporté adjacent et pouvant porter contre ledit épaulement situé à l'extrémité inté- rieure de l'évidement de l'élément rapporté adjacent afin d'amener par un mouvement uniforme lesdits éléments rappor- tés dans une position intérieure prédéterminée d'appui sur la garniture. 4 Bloc obturateur annulaire, caractérisé en ce qu'il comporte un corps annulaire ( 12) présentant une chambre annulaire intérieure ( 30) qui s'étend axialement, et des orifices ( 32, 34) qui traversent le corps pour dé- boucher dans des extrémités opposées de la chambre, des moyens ( 16) qui présentent un épaulement ( 36) faisant saillie vers l'intérieur et tourné vers le bas, à l'inté- rieur du corps, une garniture annulaire ( 20) disposée à l'intérieur du corps et dont une extrémité porte contre l'épaulement, un piston annulaire-( 14) logé dans la chambre et ayant un rebord ( 38) en contact avec l'extrémité de la garniture opposée à celle portant contre l'épaulement, l'application alternée de pression aux extrémités opposées de la chambre provoquant un mouvement du piston contre la- dite garniture pour comprimer cette dernière entre le piston et l'épaulement afin de la placer dans une position intérieure d'obturation, cette application alternée de pres- sion pouvant également éloigner le piston de l'épaulement afin de permettre à la garniture de se relâcher vers sa position d'ouverture, ladite garniture comprenant un anneau élastique ( 42) qui présente un bord périphérique intérieur, et une série sensiblement circulaire d'éléments rigides rapportés ( 44 ou 46) qui sont sensibles à un mouvement de l'anneau élastique et qui sont disposés, sur une extrémité de l'anneau élastique, de façon que leurs surfaces supé- rieures soient à peu près perpendiculaires à la surface périphérique intérieure de l'anneau et que leurs extrémités situées radialement à l'intérieur soient sensiblement adja- centes à la surface périphérique intérieure lorsque l'anneau élastique n'est pas comprimé, les éléments rapportés ayant une forme sensiblement triangulaire, orientée obliquement par rapport à l'axe de la garniture, et ces éléments étant en butée les uns avec les autres et leurs extrémités inté- rieures étant sensiblement plus épaisses que leurs extré- mités extérieures afin qu'ils fassent pivoter leurs extré- mités intérieures vers l'intérieur lorsque l'anneau élasti- que est contracté. 5 Bloc obturateur annulaire, caractérisé en ce qu'il comporte un corps ( 12) traversé par un alésage ver- tical ( 13) et présentant une chambre annulaire ( 30), un élément ( 16) qui présente un épaulement intérieur ( 36) tourné vers la chambre annulaire à l'intérieur du corps, une garniture annulaire élastique ( 20) disposée contre l'épaulement, un piston annulaire ( 14) logé dans la chambre et comportant un rebord ( 38) qui fait saillie de la chambre pour porter contre l'extrémité de-la garniture éloignée de l'épaulement, des moyens ( 32, 34) destinés à appliquer des fluides sous pression contre les faces opposées du piston, à l'intérieur de la chambre, et à évacuer les fluides sous pression des faces opposées du piston afin de provoquer un mouvement axial de ce dernier, la garni- ture comprenant un anneau élastique ( 42) qui comporte une partie intérieure et une partie extérieure, et une série sensiblement circulaire d'éléments rapportés ( 44) formant un iris, encastrés dans l'extrémité supérieure de l'anneau, inclinés par rapport à l'axe de la garniture et en butée les uns avec les autres, les éléments rapportés ayant, en plan, une forme triangulaire et leurs extrémités inté- rieures étant sensiblement plus épaisses que leurs extré- mités extérieures, ces éléments rapportés s'étendant dans la partie intérieure de l'anneau sur une distance suffi- sante pour qu'ils se déplacent vers l'intérieur, à la façon d'un iris, lors d'un mouvement de l'anneau élastique vers l'intérieur, et lesdits éléments rapportés se terminant à une distance suffisante de l'extrémité opposée de l'anneau pour qu'une quantité suffisante de matière dudit anneau soit disponible pour l'obturation sous l'effet de la défor- mation axiale de cet anneau. 6 Garniture destinée à être utilisée dans un bloc obturateur annulaire comportant des moyens destinés à com- primer axialement cette garniture, caractérisée en ce qu'elle comporte un anneau élastique déformable ( 42) présentant une surface périphérique intérieure, et plusieurs éléments rapportés ( 44) formant un iris, encastrés dans l'extrémité supérieure de l'anneau élastique et présentant des extré- mités intérieures d'épaisseur augmentée qui s'étendent sur une partie de la longueur de la surface périphérique inté- rieure de l'anneau, mais sur une distance sensiblement inférieure à la longueur axiale présentée par l'anneau lorsqu'il est complètement déformé. 7 Garniture selon la revendication 6, carac- térisée en ce qu'elle comporte des moyens ( 48, 50) réali- sant un enclenchement entre des éléments rapportés adjacents pour déplacer uniformément leurs extrémités intérieures vers une position prédéterminée d'appui lorsque ledit an- neau est déformé. 8 Grniture selon la revendication 6, carac- térisé en ce que chacun des éléments rapportés présente un évidement ( 48) s'étendant le long de l'un de ses bords et se terminant par un épaulement ( 52) espacé de son extré- mité intérieure, et une saillie ( 50) s'étendant le long de l'autre de ses bords, la saillie étant disposée dans l'évidement de l'élément rapporté adjacent et pouvant por- ter contre l'épaulement situé à l'extrémité intérieure de l'évidement de l'élément rapporté adjacent lorsque l'extré- mité intérieure d'un élément rapporté se déplace vers l'intérieur sensiblement plus que l'élément rapporté adja- cent et lorsque les éléments rapportés se déplacent vers leurs positions intérieures, de façon que l'enclenchement entre les saillies et les épaulements provoque un mouve- ment uniforme vers l'intérieur des éléments rapportés jus- qu'à une position intérieure prédéterminée d'appui sur l'anneau.