Brevet FR2515724A1 — publié le 19830506

La présente invention con oerne une garniture d'étanchéité de puits actionnée hydrauliquement et libérée par une traction verticale vers le haut, de la façon décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n O 4 141 413 Elle a pour objet une garniture d'étanchéité d'usage améliorée, économique, bloquée hydrauliquement et comportant une décrochage par cisaillement à traction verticale La garniture d'étanchéité transmet le couple du tube de production avant le blo- cage et après la libération, et tout couple appliqué avant le blocage n'affecte pas le mécanisme de blocage ou de libération Le méca- nisme de blocage comprend deux pistons, un pour bloquer les coins de retenue et un pour bloquer l'élément d'étanchéité, toutes ces opérations pouvant s'effectuer sans déplacement du tube de produc- tion Un dispositif de retenue amélioré est prévu pour réduire la course de blocage ainsi que la longueur de la garniture d'étanchéité. Une fourrière intermédiaire permet de convertir la garniture d'étan- chéité en une garniture permanente récupérable, qui résiste à la fois à la tension et à la compression sans affecter le mécanisme de décrochage En outre, un joint de dilatation interne peut etre connecté à la garniture d'étanchéité par un mécanisme de décrochage hydraulique sans cisaillement. L'invention a pour objet une garniture d'étanchéité -de puits à blocage hydraulique, comportant un mandrin tubulaire avec un moyen de con- nexion à son extrémité inférieure Des coins de retenue expansibles et rétractables sont disposés sur l'extrémité inférieure du mandrin, et des joints expansibles et rétractables de la garniture d'étan- chéité sont disposés sur le mandrin, au-dessus des coins de retenue. Un cylindre hydraulique est disposé sur le mandrin, entre les coins de retenue et les joints d'étanchéité, une lumière hydraulique du mandrin communiquant avec l'intérieur du cylindre Le premier et le second piston sont disposés dans le cylindre, sur des c 6 tés opposés de la lumière, le premier piston venant en contact avec les coins de retenue et le second piston avec les joints de la garniture d'étan- chéité, de sorte que l'écartement des pistons par un débit de fluide à travers la lumière produit l'expansion des coins de retenue et des joints d'étanchéité de la garniture Un des pistons est relié au cylindre et une fixation à simple effet, un cliquet par exemple, est prévue entre le cylindre et le second piston pour maintenir les coins de retenue et les joints de la garniture d'étanchéité dans la position d'extension Une réduction supérieure est prévue avec des moyens de raccordement; elle est reliée téléscopiquement à l'extré- mité supérieure du mandrin avec des clavettes transmettant la rota- tion entre la réduction et le mandrin Une cage d'arrêt est disposée sur le mandrin et vient en contact avec les joints de la garniture d'étanchéité, et un dispositif de décrochage par cisaillement est relié entre la cage d'arrêt et la réduction pour décrochage de la garniture d'étanchéité par une traction verticale vers le haut exer- cée sur la réduction. L'invention a également pour objet un coin de retenue amélioré, comprenant plusieurs jeux de segments de retenue et de segments coniques opposés et se recouvrant, les segments de retenue étant disposés au- dessus des segments coniques dans un ensemble de jeux et au-dessous des segments coniques dans d'autres jeux Les segments de retenue et coniques inférieurs sont fixés sur le mandrin, tandis que les segments de retenue et coniques supérieurs viennent en contact avec le premier piston, de sorte que les coins de retenue peuvent être actionnés avec une course réduite, diminuant ainsi la longueur nécessaire de la garniture d'étanchéité. L'invention a également pour objet un dispositif de fixation à simple effet, tel qu'un cliquet disposé entre le second piston et le mandrin pour interdire le blocage des coins de retenue après le décrochage de la garniture d'étanchéité. L'invention a également pour objet un cliquet à simple effet, disposé entre la réduction supérieure et le mandrin afin de permettre un mouvement ascendant de la réduction par rapport au mandrin, tout en transmettant le mouvement descendant du mandrin après le décrochage des dispositifs de cisaillement, afin d'aider au décrochage des coins de retenue le cas échéant. L'invention a également pour objet une fourrure intermédiaire reliée à la cage d'arrêt et comportant des moyens de raccordement à un canal, de sorte que la garniture d'étanchéité peut résister à la 15724 compression sans se décrocher. L'invention a également pour objet un joint de dilatation, s'étendant à travers la garniture d'étanchéité et comportant une cavité de verrouillage Un verrouillage hydraulique est relié au mandrin et entoure le joint de dilatation Le verrouillage comprend des butées expansibles et rétractables, dont l'expansion initiale dans la cavité du joint de dilatation verrouille ce dernier sur la garniture d'étanchéité, mais qui sont décrochables par le fluide hydraulique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'une forme de réalisation préférentielle et des dessins annexés sur les- quels: les figures 1 A et l B sont des élévations partielles, dans le prolonge- ment l'une de l'autre, de la garniture d'étanchéité selon l'invention, représentée en position d'exploitation et en coupe partielle; les figures 2 A et 2 B sont des élévations partielles en coupe, dans le prolongement l'une de l'autre, de la garniture d'étanchéité selon l'invention, représentée dans la position de blocage; les figures 3 A et 3 B sont des élévations partielles en coupe, dans le prolongement l'une de l'autre, de la garniture d'étanchéité selon l'invention, représentée dans la position de décrochage; la figure 4 est une élévation partielle en coupe partielle, représen- tant une fourrure intermédiaire pour raccordement à la garniture d'étanchéité selon l'invention, afin de la convertir en une garniture permanente récupérable; la figure 5 est une élévation en coupe partielle d'un type de raccord utilisé avec l fourrure intermédiaire selon la figure 4; la figure 6 est une élévation partielle en coupe d'un autre type de raccord utilisable avec la fourrure intermédiaire selon figure 4; et les figures 7 A, 7 B, 7 C, 7 D et 7 E sont des élévations partielles, en coupe partielle, dans le prolongement l'une de l'autre, de la gar- niture d'étanchéité selon l'invention, utilisée avec une fourrure intermédiaire un joint de dilatation, sous forme d'une garniture d'étanchéité permanente récupérable avec un joint de dilatation interne raccordé. Sur les figures 1 A, 1 B, 2 A, 2 B, 3 A et 3 B, la garniture d'étan- chéité 10 selon l'invention est utilisée en blocage dans le cuvelage 12 d'un puits de forage. Sur la figure 1 B, la-garniture d'étanchéité 10 comporte un mandrin tubulaire 14 muni à son extrémité inférieure d'un moyen de raccordement tel qu'un filetage 16 Des coins de retenue 18, expa- sibles et rétractables, sont disposés sur l'extrémité inférieure du mandrin 14 Des joints 20 de la garniture d'étanchéité, expansibles et rétractables, sont disposés sur le mandrin 14, au-dessus des coins de retenue 18 Un cylindre hydraulique 22 est disposé sur le mandrin 14, entre les coins de retenue 18 et les joints 20 de la garniture d'étanchéité Une lumière 24 de fluide hydraulique est prévue dans le mandrin 14 et communique avec l'intérieur du cylindre 22 - Un premier piston 26, formé par des joints 28, est disposé dans le cylindre 22, d'un côté de la lumière 24, et vient en contact avec les coins de retenue 18 Un second piston 30, formé par des joints 32, est disposé du c 6 té opposé de la lumière 24 et vient en contact avec les joints d'étanchéité 20 de la garniture La circulation d'un fluide hydraulique approprié dans la lumière 24 écarte les pistons 26 et 30 l'un de l'autre, comme le montre notamment la figure 2 B, pour l'expansion des coins de retenue 22 et des joints d'étanchéité 20 de la garniture, qui viennent en contact avec le cuvelage 12 Un des pistons, le piston 26 par exemple, est relié au cylindre 22 par un filetage 34 et un dispositif de fixation à simple effet, tel qu'un cliquet 36 chargé par un ressort (figure 1 A) est disposé entre le cylindre 22 et le second piston, le piston 30 par exemple, pour main- tenir les coins de retenue 18 et les joints d'étanchéité 20 de la garniture dans la position de blocage Les coins de retenue 18 et les joints d'étanchéité 20 de la garniture sont de préférence maintenus initialement dans la position d'exploitation ou rétractée par une goupille de cisaillement 38, qui est cisaillée par manoeuvre des pistons 26 et 30. Sur les figures-1 A, 2 A et 3 A, une réduction supérieure 40 est munie d'un moyen de raccordement, tel qu'un filetage 42, et reliée téléscopiquement à l'extrémité supérieure du mandrin 14 Une cla- vette 43 et une cannelure 44 sont prévues entre la réduction 40 et le mandrin 14 pour transmettre le couple du tube de production par l'intermédiaire de la garniture d'étanchéité 10, avant le blocage et après le décrochage Une cage d'arrêt 46 est disposée sur le man- drin 14, vient en contact avec l'extrémité supérieure des joints d'étanchéité 20 de la garniture, et recouvre la réduction 40 en l'entourant Un ou plusieurs dispositifs de décrochage, tels que des goupilles de cisaillement 48, sont prévus pour le décrochage de la garniture d'étanchéité par une traction ascendante sur la réduc- tion 40, après le blocage de la garniture d'étanchéité. Sur la figure 1 B, un dispositif de fixation à simple effet, tel qu'un cliquet 50, est disposé entre le second piston 30 et le mandrin 14 pour interdire le blocage des coins de retenue 18 après le décrochage de la garniture d'étanchéité, d'une façon qui sera décrite plus en détail ultérieurement Sur la figure 1 A, un dispositif de fixation à simple effet, tel qu'un cliquet 52, présente un biseau 54 qui interagit avec un biseau 56 de la réduction supérieure 40 pour transmettre le mouvement descendant au mandrin 15, après la libération de la goupille de cisaillement 48, afin d'aider au décrochage des coins de retenue 18 le cas échéant Le cliquet 52 est initialement maintenue en position par le biseau 56 de la réduction supérieure 40, afin de maintenir la cage d'arrêt 46 pendant le blocage de lagarniture d'étan- chéité 10. Sur les figures 1 B, 2 B et 3 B, les coins de retenue 18 sont de préférence constitués par plusieurs jeux de segments de retenue et coniques, opposés et se recouvrant Un ensemble de jeux comprend des segments de retenue 58 se recouvrant et disposés au-dessus des seg- ments coniques 60 avec lesquels ils interagissent, tandis que d'autres jeux comprennent des segments deretenue 58 se recouvrant et disposés au-dessous des segments coniques 60 avec lesquels ils interagissent. Les segments de retenue 58 et les segments coniques 60 inférieurs sont fixés sur le mandrin 14 par une fourrure intermédiaire 62; les seg- ments de retenue 58 et les segments coniques 60 supérieurs viennent en contact avec le premier piston 26 En reliant une extrémité d'un 15724 jeu de coins et cânes au mandrin et en actionnant la seconde extré- mité de ce jeu, on réduit de moitié la cause de blocage des coins de retenue 18 par rapport au cas o le mécanisme de retenue se déplace par rapport à une garniture d'étanchéité mobile Les coins de retenue 18 ont de préférence une capacité de maintien bidirectionnel de la charge et sont disposés entre les joints d'étanchéité 20 de la gar- niture afin d'éliminer l'encrassement provoqué par des débris du puits. Les joints d'étanchéité 20, comme le montrent notamment les figures 1 A, 2 A et 3 B, peuvent être d'un type approprié quelconque mais comprennent de préférence trois éléments d'étanchéité distincts 64, 66 et 68, séparés par des bagues d'écartement 70; les éléments d'étanchéité 64 et 68 sont réalisés dans un matériau plus dur afin de renforcer l'élément intérieur 66 plus souple pour éviter une défaillance par extrusion. En utilisation, la garniture d'étanchéité 10 se trouve dans la position d'exploitation, dans laquelle elle est reliée à une rame (non représentée) et descendue dans le cuvelage 12 jusqu'à la position o elle doit être bloquée, comme le montrent notamment les figures IA et 1 B Le fluide hydraulique est transmis à l'intérieur 11 de la gar- niture d'étanchéité 10 et dans la lumière 24 pour actionner les pis- tons 26 et 30 La manoeuvre des pistons 26 et 30 cisaille la goupille 38 et l'écartement des pistons 26 et 30 bloque les coins de retenue 18 et le joint d'étanchéité 28 de la garniture dans la position de blocage, comme le montrent notamment les figures 2 A et 2 B Il convient de noter que le blocage s'effectue sans déplacement du mandrin 14 ou de la rame, ce qui permet d'introduire plusieurs garnitures d'étan- chéité dans un puits Un cliquet 36 à simple effet maintient le cylindre 22 par rapport au piston 30, afin de maintenir les coins de retenue 18 et les joints d'étanchéité 20 de la garniture dans la position de blocage Pour décrocher la garniture d'étanchéité 10, une traction ascendante est exercée sur la réduction supérieure 40, comme le montrent notamment les figures 3 A et 3 B, de sorte que la goupille de décrochage 48 est cisaillée et un épaulement 72 deala réduction 40 vient en contact avec un épaulement 74 de la cage d'ar- rêt 46, afin de déplacer cette dernière vers le-haut en permettant la rétraction du joint d'étanchéité 20, la poursuite du mouvement ascendant du piston 30 et la rétraction des coins de retenue 18. Lorsque le biseau 56 de la réduction supérieure 40 se déplace vers le haut, le cliquet 52 est ainsi libéré et entraîné par la cage d'arrêt 46 vers le haut, par rapport au mandrin 14 Si pour une raison quelconque les coins de retenue 18 ne se sont pas rétractés correcte- ment, un mouvement descendant peut être effectué sur la réduction supérieure 40 pour ramener le biseau 52 en contact avec le cliquet 52, désormais positionné dans le haut, et entraîner le mandrin 14 vers le bas, pour entraîner la fourrure intermédiaire 62 des coins et c 6 nes inférieurs vers le bas et mieux décrocher les coins de retenue 18. Il convient également de noter que le cliquet à simple effet 50 inter- dit une descente du second piston 30 par rapport au mandrin 14 après le décrochage de la garniture d'étanchéité, afin d'interdire une expansion accidentelle des coins de retenue 18 Après le décrochage de la garniture d'étanchéité 10, un couple peut être appliqué à la réduction supérieure 40, la clavette 42 et la cannelure 44, par l'in- termédiaire du mandrin 14 - La constitution et le fonctionnement décrits ci-dessus de la garniture d'étanchéité 10 fournissent une garniture à blocage hydrau- lique, décrochée par une traction ascendante sur la rame Néanmoins, il peut être souhaitable dans certains cas de disposer d'une garniture d'étanchéité qui supporte à la fois une tension et une compression de la rame, sans affecter le mécanisme de décrochage Sur la figure 4, la garniture 1 Oa est identique à la garniture représentée aux figures 1 et 2; une fourrure intermédiaire 80 est reliée à la cage d'arrêt 46 par un filetage approprié 82 par exemple La fourrure intermédiaire comporte aussi des moyens de raccordement appropriés, tels qu'un filetage 84 le cas échéant, et le moyen de raccordement 42 a de la réduction supérieure 40 peut être d'un type de filetage différent. Le blocage de la garniture d'étanchéité 10 a est identique à celui de la garniture d'étanchéité 10 Le décrochage de la garniture d'étan- chéité 10 a s'effectue en accouplant le filetage 42 a pour déplacer la réduction supérieure 40 vers le haut par rapport à la fourrure intermédiaire 80, afin de cisailler les goupilles 48 et décrocher la garniture d'étanchéité 10 a En cas d'utilisation sous forme d'une garniture d'étanchéité permanente, seul le filetage 84 est toutefois accouplé à la rame et aucune tension ou compression dans cette der- nière et la fourrure intermédiaire 80 ne cisaille les goupilles 48. En d'autres termes, une traction ascendante sur la fourrure intermé- diaire 80 ne produit aucun mouvement relatif entre cette-dernière et la réduction supérieure 40, car une traction ascendante sur la cage d'arrêt 46 est transmise au mandrin 14 par le cliquet 52 qui est verrouillé en position par le biseau 56 de la réduction supérieure Toute compression de la rame et de la fourrure intermédiaire 80 est supportée par les coins de retenue 18 expansés, comme dans le cas de la garniture d'étanchéité 10. Bien que tout type de raccord de tige à la fourrure intermé- diaire 80 puisse convenir, les variantes classiques de raccord de raccordement de la rame à la garniture d'étanchéité 1 Qa sont utilisa- bles La figure 5 représente un raccord 86 avec un moyen tel qu'un filetage 88 de raccordement à une rame, et un filetage 90 conjugué du filetage 84 de la fourrure intermédiaire 80 Les filetages 84 et 90 peuvent être soit du type à décrochage par relevage vertical, soit du type à décrochage par rotation à droite Le raccord 86 comprend un joint 92 assurant l'étanchéité par rapport à l'intérieur de la four- rure intermédiaire 80 La figure 6 représente un autre type de rac- cord 94 comprenant un joint d'étanchéité 96 et du type à décrochage par relevage vertical. La garniture d'étanchéité 10 selon figures 1 et 2 peut aussi com- porter des options la convertissant en une garniture permanente récupé- rable, comprenant un joint de dilatation interne relié à la garniture d'étanchéité par un dispositif non cisaillable tel qu'un-verrou hydrau- lique Les figures 7 A, 7 B, 7 C, 7 D et 7 E représentent une telle garni- ture d'étanchéité La garniture d'étanchéité l Ob est sensiblement identique aux garnitures 10 et 1 Oa; elle comprend une fourrure inter- médiaire 80 b reliée à la cage d'arrêt 46 b pour raccordement à une rame, la garniture 10 b supportant à la fois une tension et une compres- sion sans affecter les goupilles de cisaillement 48 b de décrochage, qui la transforment en une garniture permanente récupérable Une rallonge d'alésage d'étanchéité 100 b, comportant une réduction de récupération et un joint de sûreté, est raccordée à la fourrure intermédiaire 80 b Un joint de dilatation 100 interne s'étend dans la garniture 10 b et assure l'étanchéité par rapport à l'intérieur de l'alésage de cette dernière. Il est souhaitable de raccorder le joint de dilatation 100 à la garniture d'étanchéité 10 b, avec possibilité d'introduction simul- tanée dans le puits, mais il convient d'éviter une liaison cisail- lable entre le joint 100 et la garniture d'étanchéité 10 b, car elle risque d'être cisaillée par inadvertance. La figure 7 E représente un verrouillage hydraulique 102, qui comprend des moyens de raccordement tels qu'un filetage 104 pour fixation sur le filetage 16 b du mandrin 14 b de la garniture d'étan- chéité 10 b, ainsi qu'un moyen de raccordement tel qu'un filetage 106 pour liaison avec un autre canal Le verrouillage 102 comprend plu- sieurs butées 108, représentées dans la position d'expansion pour engagement dans une cavité 110 du joint de dilatation 100, afin d'as- surer le verrouillage initial du joint de dilatation 100 sur la gar- hiture d'étanchéité 10 b Le verrouillage 102 comprend un piston 112 formé par des joints 114, ainsi qu'un biseau 116 qui interagit avec un biseau 118 des butées 108 Une goupille de cisaillage 120 main- tient initialement le piston 112 en position sur les butées 118 pour raccordement du joint 100 à la garniture d'étanchéité 1 ob Une lumière 122 du joint 100 transmet le fluide hydraulique au piston 112 pour cisailler la goupille 120 et libérer les butées 108, per- mettant ainsi de déconnecter le joint 100 de la garniture d'étan- chéité 1 Ob. En service, la garniture d'étanchéité 10 b selon figure 7 est reliée au joint de dilatation 100 par les butées 108 du verrouillage hydraulique 102, et le joint 100 et la garniture d'étanchéité 10 b sont introduits simultanément dans le cuvelage 12 La garniture d'étanchéité 10 b est bloquée par une pression hydraulique qui est transmise par la lumière 24 b et déplace les pistons 26 b et 30 b pour bloquer les coins de retenue 18 b et les joints d'étanchéité 20 b de la garniture Une nouvelle pression transmise par la lumière 122 actionne le piston 112 du verrouillage 102 pour dégager le joint de dilatation 100 de la garniture d'étanchéité 1 Ob Le joint 100 est totalement récupérable sans relevage de la garniture d'étanchéité 10 b, qui est du type permanent récupérable et est décrochée par un outil provoquant un mouvement de la réduction supérieure 40 b par rapport à la fourrure intermédiaire 80 b Par ailleurs, une tension ou une compression exercée sur la fourrure intermédiaire 80 b ou la rallonge 100 b n'affectent pas le décrochage de la garniture d'étan- chéité 1 Ob. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1 Garniture d'étanchéité de puits à blocage hydraulique, caractérisé par: un mandrin tubulaire comportant un dispositif de raccordement à l'extrémité inférieure; des coins de retenue expansibles et rétractables, disposés à l'extrémité inférieure di mandrin; des joints d'étanchéité de la garniture, expansibles et rétrac- tables, disposés sur le mandrin, au-dessus des coins de retenue; un cylindre hydraulique disposé sur le mandrin, entre les coins de retenue et les joints d'étanchéité de la garniture; une lumière hydraulique du mandrin communiquant avec l'intérieur du cylindre; un premier et un second piston disposés dans le cylindre, de part et d'autre de la lumière, le premier piston venant en contact avec les coins de retenue et le second piston avec les joints d'étanchéité de la garniture, de sorte que l'écartement des pistons par un débit fluide à travers la lumière produit l'ex- pansion des coins de retenue et des joints d'étanchéité de la garniture; un desdits pistons étant relié au cylindre et un dispositif de fixation à simple effet étant disposé entre le cylindre et le second piston pour maintenir les coins de retenue et les joints d'étanchéité de la garniture dans la position d'expansion; une réduction supérieure comportant un dispositif de raccordement et reliée téléscopiquement à l'extrémité supérieure du mandrin; un dispositif de clavetage entre la réduction et la mandrin pour la transmission de la rotation entre ces deux pièces; un dispositif d'arrêt disposé sur le mandrin et venant en contact avec les joints d'étanchéité de la garniture; et un dispositif de cisaillage pour décrochage, raccordé entre le dispositif d'arrêt et la réduction pour décrocher la garniture d'étanchéité par une traction verticale sur la réduction. 2 Garniture d'étanchéité selon revendication 1, caractérisée en ce que les coins de retenue comprennent plusieurs segments de retenue et segments coniques opposés et se recouvrant, dont un est fixé sur le mandrin et l'autre vient en contact avec le premier piston pour réduire la course nécessaire au blocage des coins de retenue. 3 Garniture d'étanchéité selon revendication 1, caractérisée en ce que les coins de retenue comprennent plusieurs jeux de segments de retenue et segments coniques, opposés et se recouvrant, les. segments de retenue d'un groupe de jeux étant disposés au-dessus des segments coniques et ceux des autres jeux étant disposés au- dessous des segments coniques; et les segments de retenue et les seg- ments coniques inférieurs sont fixés sur le mandrin, tandis que les segments de retenue et segments coniques supérieurs viennent en con- tact avec le premier piston - 4 Garniture d'étanchéité selon revendication 1, caractérisée par un dispositif de fixation à simple effet, disposé entre le second piston et le mandrin pour interdire le blocage des coins de retenue après décrochage de la garniture d'étanchéité. Garniture d'étanchéité selon revendication 1, caractérisée par un cliquet à simple effet, disposé entre la réduction supérieure et le mandrin pour permettre un mouvement ascendant de la réduction par rapport au mandrin, tout en transmettant le mouvement descendant au mandrin après le décrochage des moyens de cisaillement, afin d'assis- ter le décrochage des coins de retenue. 6 Garniture d'étanchéité selon revendication 1, caractérisée en ce que la réduction vient initialement en butée avec le dispositif d'arrêt pour maintenir ce dernier pendant le blocage de la garniture d'étanchéité. 7 Garniture d'étanchéité selon revendication 1, caractérisée par une fourrure intermédiaire reliée au dispositif d'arrêt et compor- tant un dispositif de raccordement à un canal, la garniture d'étan- chéité pouvant ainsi supporter une tension et une compression sans décrochage. 8 Garniture d'étanchéité selon revendication 7, caractérisée par un joint de dilatation s'étendant à travers la garniture et présen- tant une cavité de verrouillage; et un verrouillage hydraulique relié au mandrin, entourant le joint de dilatation et comprenant des butées expansibles et rétractables, qui se logent initialement dans la cavité du joint de dilatation pour verrouiller ce dernier sur la garniture d'étanchéité, mais peuvent être libérées par manoeuvre.