Brevet FR2513722A1 — publié le 19830401

La présente invention se rapporte, d'une ma- nière générale, à une garniture d'étanchéité du type - qui peut être utilisé dans un puits de pétrole ou de gaz pour isoler une formation contenant du pétrole ou du gaz et elle a trait, plus particulièrement, à l'en- semble d'éléments d'étanchéité utilisé dans la garni- ture pour assurer l'étanchéité entre le train de tiges monté dans le puits et le tubage du puits. Les brevets des EUA N O 2 921 632, N O 506 659 et N O 3 182 614, de même que la demande de brevet des EUX N O 204 750 déposée le 7 novembre 1980, décrivent diverses formes de garniture du type qui peut être uti- lisé avec d'autres outils de puits pour entretenir ou préparer un puits à des fins de production Dans un tel puits, une garniture d'étanchéité peut être utilisée pour créer une étanchéité vis à vis du courant de fluide sous pression contenu dans l'espace annulaire entre le train de tiges contenu dans le puits et le tubage du puits Divers agencements mécaniques sont uti- lisés dans de telles garnitures pour ancrer la garni- ture à une position préalablement choisie verticalement dans le puits et pour réaliser l'étanchéité désirée. Par exemple, dans la garniture décrite dans le brevet des EUX précité no 5 036 659, des jeux de coins de re- tenue verticalement espacés montés sur des têtes d'ex- pansion supérieure et inférieure sont coincés radiale- ment dans le tubage du puits au moyen d'une manipula- tion verticale d'un mandrin tubulaire portant à la fois les têtes d'expansion et les coins Lorsque les têtes d'expansion sont rapprochées l'une de l'autre, un en- semble de joint d'étanchéité qui comporte un élément d'étanchéité en matière élastomère est comprimé entre les têtes d'expansion de façon à se dilater radialement et à s'appliquer de manière étanche contre la paroiîin- térieure du tubage Aux extrémités opposées de l'élé- -2- ment d'étanchéité, des bagues d'étanchéité méta lliques expansibles viennent erÉ appui contre la paroi intérieu- re du tubage de façon à empêcher la matière élastomère contenue dans l'élément de S'extruder entre les têtes- d'expansion et le tubage et de réduire de ce fait l'ef- ficacité du joint Entre les têtes d'expansion et le mandrin de la garniture, des tolérances de jeu serrées doivent être maintenues pour éviter la perte de matière élastomère. La présente invention a pour but de réaliser un ensemble de j'oint d'étanchéité pour garniture qui assure une étanchéité particulièrement efficace à l'en- contre de l'extrusion de l'élément d'étanchéité en ma- tière élastomère de la garniture, entre le mandrin de la garniture et la tête d'expansion, de manière à ré- duire le caractère critique de la tolérance entre eux. Plus particulièrement, l'invention consiste,, notamment, dans la réalisation d'un assemblage original d'éléments en association avec l'élément d'étanchéité en matière élastomère pour empêcher l'extrusion de la matière élas- tomère à partir de ses extrémités, soit entre le tubage et la tête d'expansion soit éntre le mandrin et la tete d'expansion, en assurant 'une étanchéité métal contre métal à l'encontre d'une telle extrusion Plus spécifi- quement, l'invention consiste, notamment,-dans la cons- truction-de l'ensemble de manière qu'il comporte 'une bague d'étanchéité métallique qui est extensible radia- lement vers l'extérieur sous l'action des forces de mise en place de la garniture, une bague de retenue qui vient en butée contre la bague d'étanchéité pour provo- quer l'expansion radiale vers l'extérieur de cette der- nière lorsqu'une telle force de mise en place est appli- quée et un réceptacle d'étanchéité qui est fabriqué en une matière malléable et est disposé entre la bague de retenue et le mandrin Avantageusement, lorsque la force -3- e mise en place est applquée, le récepta Cle détan- chéité se dilate radialement vers l'intérieur pour s'appliquer de manière étanche contre le mandrin En outre, le réceptacle se dilate radialement vers l'exté- rieur pour s'appliquer de manière étanche contre la bague de retenue. Les caractéristiques et avantages ci-dessus de l'invention apparaîtront plus complètement à la lec- ture de la description qui va suivre du mode de réalisa- tion actuellement préféré de la présente invention, considérée en combinaison avec le dessin annexé dans lequel: la Fig 1 est une vue combinée, en élévation latérale et en coupe verticale, d'une garniture d'étan- chéité qui comporte un ensemble de joint d'étanchéité comportant les nouvelles caractéristiques de la pré- sente invention; la Fig 2 est une vue partielle, en coupe, à plus grande échelle, d'une partie de l'ensemble de joint d'étanchéité du mode de réalisation représenté à titre d'exemple, l'ensemble de joint étant représenté dans la position qu'il occupe avant la mise en place de la garniture; la Fig 3 est une vue semblable à celle de la Fig 2 mais qui représente les éléments de l'ensem- ble dans des positions déplacées comme si la garniture avait été mise en place; et la Fig 4 est une vue de l'ensemble, prise approximativement suivant la ligne 4-4 de la Fig 3. Dans le mode de réalisation représenté sur le dessin aux fins de l'illustration, la présente invention est appliquée dans un ensemble 10 de joint d'étanchéité pour une garniture d'étanchéité 11 de puits de pétrole ou analogue Dans la garniture d'étanchéité 11, l'en- semble de joint d'étanchéité est monté entre des têtes -4- d'expansion surnr tl ere et inférieuire 13 et 14 lesouel- les sont, à leur tour, assemblées à un mandrin tubu- laire 11 par des moyens fracturables Des jeux de coins de retenue supérieur et inférieur 16 et 17 sont mainte- nus en place sur des surfaces tronconiques 19 des têtes d'expansion par des bandes fracturables 20 Comme dé- crit de manière plus détaillée dans la demande de bre- vet des EUA précitée, lors de la mise en place de la garniture en appui contre la paroi intérieure du tubage (non représenté) du puits, le jeu supérieur de coins 16 est tout d'abord ancré en place puis le mandrin 15 est tiré vers le haut, brisant les moyens de fixation frac- turables qui assemblent les têtes d'expansion 13 et 14 au mandrin de sorte que les têtes coulissent l'une vers l'autre par rapport au mandrin Ceci comprime un élé- ment d'étanchéité ou manchon 21 en matière élastomère qui est disposé entre les deux têtes et provoque l'ex- pansion ou dilatation radiale vers l'extérieur du man- chon et son application étanche contre le tubage Dans 2 Q le présent exemple, le manchon est fabriqué en un néo- prène ayant une dureté de 80 au duromètre bien que des matières élastomères ayant une dureté de 75 à 90 au duromètre puissent s'avérer être également satisfaisan- tes, selon les besoins de l'application Comme repré- senté sur les Fig 1 et 2, les têtes d'expansion supé- rieure et inférieure 13 et 14 comportent des surfaces d'extrémité en vis à vis 23 et 24 qui sont inclinées en éloignement l'une de l'autre à mesure qu'on s'éloigne radialement vers l'extérieur du mandrin 15 Des bagues d'étanchéité métalliques expansibles 25 à peu près sem- blables à celles décrites dans le brevet des EUA précité n 3 036 639 sont positionnées en appui contre et entre les surfaces d'extrémité 23 et 24 des têtes d'expansion et les parties d'extrémité adjacentes du manchon 21. Ainsi, lorsque le manchon et les bagues se dilatent ra- -5- dialement, les bagues 25 viennent tout d'abord en appui contre la paroi du tubage pour assurer l'étanchéité à l'encontre de l'extrusion de la matière élastomère dans laquelle est formé le manchon entre les têtes d'expan- sion 13 et 14 et le tubage. Conformément à l'objectif principal de la pré- sente invention, des réceptacles annulaires 27 nouveaux et originaux sont disposés dans l'ensemble de joint d'é- tanchéité pour empêcher le manchon 21 de s'extruder en- tre les têtes d'expansion 13 et 14 et le mandrin 15 sans qu'il soit nécessaire de maintenir des tolérances de jeu serrées entre les têtes et le mandrin à cette fin, les réceptacles 27 sont fabriqués en un métal malléable et ils reçoivent des parties du manchon de sorte que, lorsque le manchon est comprimé pendant la mise en place des coins 16 et 17 de la garniture, une partie de la matière élastomère du manchon flue dans les réceptacles, les déformant radialement vers l'intérieur vers une dis- position en appui contre le mandrin pour assurer l'étan- chéité à l'encontre de l'extrusion de la matière élas- tomère entre le mandrin et les têtes d'expansion, aux deux extrémités du manchon 21 Grâce à cet agencement, on évite les tolérances de jeu serrées qui sont sinon requises pour empêcher une telle extrusion entre les têtes d'expansion et le mandrin. Dans le présent cas, on utilise deux récep- tacles 27 dans l'ensemble d'étanchéité 10 (voir la Fig 1), un adjacent à chacune des têtes d'expansion supérieure et inférieure 13 et 14 Les extrémités su- périeure et inférieure de l'ensemble de joint d'étanché- ité ont un fonctionnement et une configuration approxi- mativement identiques et, de ce fait, on n'en décrira qu'une en détail ici, étant entendu que cette descrip- tion s'applique tout aussi bien à l'une qu'a l'autre des extrémités de l'ensemble de joint d'étanchéité. -6- De préférence, mais non nécessairement, l'en- semble 10 de joint d'étanchéité comporte une bague de retenue annulaire 29 non expansible (voir la Fig 2) disposée entre la bague d'étanchéité 25 et l'extrémité supérieure 26 du manchon 21 en matière élastomère Lors de la mise en place de la garniture d'étanchéité, la bague de retenue coulisse vers le haut sur le mandrin par rapport à la tête d'expansion supérieure 13 et la bague d'étanchéité 25 est déplacée radialement vers l'extérieur par une action de came en coulissant sur la face d'extrémité 23 de la tête d'expansion Dans le pré- sent mode de réalisation, l'extrémité supérieure de la bague de retenue comporte des surfaces chanfreinées intérieure et extérieure 30 et 31 (voir les Fig 2 et 3) inclinées approximativement au même angle respecti- vement que la face d'extrémité 23 de la tête d'expan- sion et que la surface inférieure 33 de la bague d'é- tanchéité Grâce à cette configuration structurale, lorsque la garniture est mise en place, les faces de jonction 23, 30 et 33 de la tête d'expansion, de la bague d'étanchéité et de la bague de retenue sont diri- gées dans des positions qui réduisent au minimum l'im- portance de l'espace non rempli entre la tête d'expan- sion et la bague de retenue. Le réceptacle 27 est disposé radialement à l'intérieur de la bague de retenue 29, le réceptacle 27 comprenant, dans le présent cas, des parois annu- laires intérieure et extérieure 34 et 35 reliées entre elles par une paroi d'extrémité supérieure 36 formée en une seule pièce avec elles de façon à former un auge ou gouttière 37 dont l'ouverture est orientée vers le bas Dans le présent mode de réalisation, la paroi d'extrémité 36 comporte une partie 39 (Fig 2) qui est inclinée vers le haut à mesure que l'on pro- gresse radialement vers l'extérieur à partir de la naroi intérieure 34 à un anale qui est le même que celxi de la face d'extrémité inclinée 23 de la tête d'expan- sion adjacente 13 Avant la mise en place de la garni- ture d'étanchéité 11, le réceptacle est espacé vers le bas de la tête d'expansion 13 de façon à laisser un vide annulaire 40 entre la tête d'expansion, la bague d'étanchéité 25 et le réceptacle 27. Comme représenté sur la Fig 2, le manchon 21 comporte une protubérance annulaire 41 s'étendant vers le haut qui s'adapte à l'intérieur de la gout- tière 37 Par conséquent, lors de la mise en place de la garniture 11, le réceptacle se déforme, tandis qu'une certaine quantité de la matière élastomère du manchon 31 flue dans la gouttière 37 et provoque le déplacement des parois intérieure et extérieure 34 et du réceptacle radialement, remplissant pratiquement le vide 40 et provoquant, en particulier, l'application étanche de la paroi intérieure 34 contre le mandrin et empêchant, de ce fait, le manchon de s'extruder entre le mandrin 15 et la tête d'expansion En se déplaçant radialement vers l'intérieur, la matière formant la paroi intérieure 34 se tord ou flambe légèrement lais- sant une petite ondulation 43 (voir la Fig 4) à un certain point le long de la périphérie du mandrin Les dimensions de cette ondulation sont, cependant, moin- dres que celles'qui permettraient l'extrusion d'une - partie de la matière du manchon en matière élastomère le long du mandrin De préférence, le réceptacle est fabriqué en une matière métallique malléable, telle que de l'acier au carbone 10-18 ayant une épaisseur d'environ 0,9 mm On a trouvé qu'un réceptacle cons- truit en cette matière se déformait de la-manière dé- crite lorsqu'une force de mise en place d'environ 133 350 N était appliquée. Compte-tenu de ce qui précède, on peut cons- tater que la présente invention a apporté à la tech- nique un nouvel ensemble de joint d'étanchéité perfec- tionné particulièrement approprié pour être utilisé dans des garnitures de puits de pétrole ou analogues, telles que la garniture 11, qui permet avantageusement la construction de telles garnitures sans qu'il soit nécessaire de maintenir des tolérances de jeu extrême- ment serrées entre le mandrin de mise en place 15 et les têtes d'expansion 13 et 14 On obtient avantageuse- ment ce résultat en utilisant les nouveaux réceptacles malléables originaux 27 qui se dilatent lorsque la gar- niture est mise en place pour s'appliquer de manière étanche contre le mandrin et empêchent, de ce fait, l'extrusion du manchon 21 entre le mandrin et les têtes d'expansion. REVENDICATIONS - 1 Un ensemble de joint d'étanchéité pour une garniture d'étanchéité ( 11) qui comporte des têtes d'expansion ( 13, 14) longitudinalement espacées portées par un mandrin ( 15) et mobiles l'une vers l'autre lors de la mise en place de la garniture pour exercer une force de compression contre les parties d'extrémité op- posées ( 26) d'un élément d'étanchéité ( 21) disposé entre elles afin de provoquer l'application de l'élément en appui étanche contre la paroi intérieure d'un tubage de puits, cet ensemble étant caractérisé en ce qu'il comporte des réceptacles annulaires ( 27) entourant le mandrin ( 15) , un de ces réceptacles étant disposé entre chacune des têtes d'expansion ( 13, 14) et celle des parties d'extrémité opposées ( 26) de l'élément d'étan- chéité qui lui correspond, chaque réceptacle ayant des parois annulaires intérieure et extérieure ma JJéables ( 34, 35) et une paroi d'extrémité ( 36) s'étendant entre elles et formée en une seule pièce avec elles de façon à former une gouttière annulaire ( 37) dont l'ouverture est orientée vers l'élément d'étanchéité, la paroi in- térieure étant normalement espacée radialement vers - l'extérieur par rapport au mandrin, chacune des parties d'extrémité opposées de l'élément d'étanchéité faisant saillie dans la gouttière correspondante pour déformer sa paroi intérieure radialement vers l'intérieur en; appui étanche contre le mandrin afin d'empêcher l'ex- trusion de la matière élastomère entre le mandrin et les têtes d'expansion lors de la mise en place de la -30 garniture. 2 Ensemble de joint d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des bagues d'étanchéité annulaires expansibles ( 25) disposées radialement à l'extérieur des récep- tacles ( 27) au voisinage des extrémités opposées de - -10- ceux-ci de manière à se déplacer radialement vers l'ex- térieur vers une position en appui contre la paroi in- térieure du tubage afin d'empêcher ledit élément d'é- tanchéité de s'extruder entre les têtes d'expansion et le tubage lors de la mise en place de la garniture. 3 Ensemble de joint d'étanchéité selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des bagues de retenue ( 29) non expansibles, chacune entourant le mandrin ( 15) au voisinage de l'une des bagues d'étanchéité ( 25) correspondante et ayant un bord en butée contre la bague d'étanchéité adjacente et un bord opposé en butée contre l'élément d'étanchéi- té ( 21), la paroi extérieure du réceptacle ( 27) corres- pondant étant déformable par l'élément d'étanchéité en direction de la position en appui contre la bague de retenue lors de la mise en place-de la garniture afin d'assurer l'étanchéité à l'encontre de l'extrusion de l'élément entre la paroi extérieure et la bague de re- tenue. 4 Ensemble de joint d'étanchéité selon la revendication 3, caractérisé en ce que les têtes d'ex- pansion ( 13, 14) comportent des surfaces d'extrémité ( 23, 24) en vis à vis inclinées en éloignement l'une de l'autre à un angle prédéterminé à mesure qu'on s'é- loigne radialement vers l'extérieur à partir du man- drin, la paroi d'extrémité ( 36) des réceptacles ayant une partie inclinée approximativement au même angle de manière à venir en butée contre ladite surface d'ex- trémité correspondante. 5 Ensemble de joint d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un vide annulaire ( 40) situé entre chaque tête d'expansion ( 13, 14) et le réceptacle correspondant ( 27) avant la mise en place de la garniture, les ré- ceptacles se dilatant pour remplir le vide lors de la mise en place de la garniture.