Brevet FR2547387A1 — publié le 19841214

Des outils de forage profond comportant des éléments pouvant coulisser longitudinalement l'un par rapport à l'autre exigent un joint d'étanchéité par contact mobile entre les éléments, qui empêche, par exemple, le liquide de rinçage de pénétrer dans une chambre annulaire interne remplie d'huile La pression différentielle qui apparaît au niveau de ces joints d'étanchéité dépend non seulement de la perte de charge du liquide de rinçage sur son trajet de la chambre de 10 rinçage interne du train de tiges de forage à travers les outils suivants montés en dessous des éléments d'outils pouvant se déplacer dans le sens longitudinal jusque dans la chambre annulaire du trou de forage, mais aussi de la pression dynamique de l'huile dans la 15 chambre annulaire interne, qui s'accumule en raison de l'équilibrage retardé du volume d'huile par l'intermédiaire de canaux d'équilibrage étroits lors du déplacement longitudinal des éléments à une vitesse de déplacement déterminée La pression différentielle 20 peut, en outre, dépendre de la grandeur de l'outil, de la viscosité de l'huile, ainsi que de la température et peut atteindre des valeurs allant jusqu'à 1 000 bars. Des résultats de l'utilisation sur le terrain d'outils de forage profond montrent que les défauts qui 25 apparaissent au niveau des joints d'étanchéité à haute pression entre les éléments pouvant coulisser longitudinalement doivent être considérés comme étant la cause principale de la défaillance prématurée de ces outils. C'est pourquoi, on a maintes fois essayé d'utiliser 30 également dans la technique des forages profonds, des joints d'étanchéité par contact en mouvement de configurations et de structures matérielles les plus diverses qui donnent satisfaction dans d'autres domaines d'application Des essais sur le terrain avec l'utili35 sation de tels joints d'étanchéité n'ont cependant pas 2547387. abouti à une augmentation de la durée de service. Cela étant, l'invention a pour but de procurer un joint d'etancheite à haute pression pour des éléments pouvant coulisser l'un par rapport à l'autre dans 5 des outils de forage profond, compte tenu, en particulier, des conditions limites qui se présentent ici, qui, dans des conditions rencontrées sur le terrain, atteignent une durée de service correspondant à la durée de vie des outils de forage classiques. Ce but est réalisé, dans le cas d'un joint d'étanchéite à haute pression pour deux éléments d'outils de forage profond pouvant coulisser longitudinalement l'un par rapport à l'autre, formé d'un anneau d'étanchéité d'usure monté dans une gorge annulaire 15 d'un premier élément et s'appliquant contre le second élément et d'un anneau de serrage exerçant une précontrainte radiale sur l'anneau d'étanchéitée; lorsque l'anneau d'étanchéité d'usure s'applique, par une surface périphérique s'étendant en substance sur 20 toute sa longueur axiale, de manière étanche contre le second élément, l'anneau d'étanchéité d'usure étant en outre sous-calibré axialement par rapport à la largeur de la gorge annulaire du premier élément qui le reçoit et pouvant se déplacer entre les deux 25 flancs de la gorge annulaire pour former, au choix, une surface d'étanchéité statique contre un des flancs de la gorge annulaire, tandis que l'anneau de serrage est formé par un anneau de serrage et d'étanchéité volumineux, pouvant être comprimé radialement et en une matière élastomère, ledit anneau de serrage étant serré entre la surface périphérique de l'anneau d'étanchéité d'usure opposée à la surface périphérique assurant l'étanchéité et le fond de la gorge annulaire. 3 2547387 La grande longueur axiale de la surface périphérique assurant l'étanchéité de l'anneau d'étanchéité d'usure donne un long trajet d'étanchéite et ainsi une sécurité à l'égard d'endroits de fuite 5 partielle, tels que ceux qui résultent de la rugosité superficielle de l'élément longitudinalement mobile à rendre étanche et de rayures dans l'anneau d'étanchéite d'usure De plus, la perte de charge de la zone de la haute pression vers la zone de la basse pression, 10 calculée sur la based'une différence de longueur axiale, est maintenue relativement faible La pression qui doit être exercée sur les surfaces peut, par conséquent, être diminuée par rapport à celle des joints d'étan-t chéité classiques, de sorte que l'échauffement provoqué 15 à l'intérieur de-la matière du joint d'étanchéité par les mouvements de glissement est réduit En raison du faible échauffement propre, il est par conséquent aussi possible d'utiliser le joint à des profondeurs de forage extrêmes à des températures allant jusqu'à 20 240 C Grâce au sous-dimensionnement axial de l'anneau d'étanchéité d'usure, cet anneau peut se déplacer à l'intérieur de la gorge annulaire et peut s'appliquer 2547387. contre le flanc de la gorge opposé à la zone de haute pression La haute pression peut O de cette façon, aussi pénétrer dans la gorge annulaire elle-même et peut agir sur la surface périphérique de l'anneau d'étanchéité 5 d'usure opposée à la surface périphérique assurant l'étanchéité Alors que la pression partielle sur la surface périphérique assurant l'étanchéité diminue de manière continue dans le sens axial, elle reste constante sur la surface périphérique libre opposée et 10 produit, par la différence de pression qui augmente axialement a partir du bord, une pression radiale renforgant la force de compression de la surface périphérique assurant l'étanchéité Simultanément, une sollicitation de pression axiale de l'anneau de serrage 15 et d'étanchéité par rapport à la paroi de la gorge est aussi provoquée, ce qui, sous l'effet des forces de réaction qui apparaissent, aboutit également à une augmentation de la pression de compression radiale Le montage accuse, par conséquent, une pression de com20 pression de l'anneau d'etancheite d'usure contre la surface d'étanchéite du deuxième element qui est réglée en fonction de la pression différentielle présente. Grâce à la disposition parallèle des deux flancs de la gorge annulaire par rapport aux flancs de 25 l'anneau d'étanchéité d'usure, on obtient un effet d'étanchéité dans les deux directions axiales Les flancs inclinés par rapport au fond de la gorge, selon une autre forme d'exécution, supportent, dans le cas d'une sollicitation de pression axiale, par décompo30 sition des composantes, en outre la pression radiale de la surface d'étanchéité de l'anneau d'étanchéité d'usure sur la surface du second élément De plus, cette configuration de la gorge permet aussi d'éviter une permutation erronée des éléments lors du montage ou 35 de l'entretien Les gorges annulaires de section de préférence en forme de V, taillées dans la surface périphérique d'étanchéité de l'anneau d'étanchéité d'usure, sont destinées a recevoir des particules de crasses qui sont contenues dans le liquide de rinçage 5 abrasif et, au-dessus desquelles, alors qu'elles adhèrent temporairement à l'autre élément par suite de la rugosité superficielle inévitable de celui-ci, la surface d'étanchéité périphérique peut pour partie passer La combinaison de ces gorges annulaires et de 10 la longue surface périphérique d'étanchéité rend, en outre, possible, sur une distance axiale relativement petite, un effet d'étanchéité tel qu'on ne peut en obtenir A l'aide de joints d'étanchéité classiques que par des montages en cascades de plusieurs de ces 15 joints On obtient ainsi une fabrication et un entretien nettement plus économiques ou, A dépenses égales, une fiabilité et une durée de service nettement accrues. L'arrondissement de la transition des flancs 20 vers le fond de la gorge, effectué conformément à une forme d'exécution avantageuse, permet un meillegr contact et un meilleur soutien à l'encontre de la sollicitation de pression axiale, de sorte que la précontrainte et la sollicitation de pression supplé25 mentaire peuvent être converties avec plus d'efficacité en une force de pression radiale sur l'anneau d'étanchéité d'usure L'anneau de serrage et d'étanchéité est, de préférence, un anneau torique élastomère qui est comprimé dans une mesure pouvant aller jusqu'A 40 % 30 de son épaisseur radiale Cette valeur correspond à une déformation supérieure au double de celle qui est courante dans la technique des joints d'étanchéité et assure une force de précontrainte A peu près cinq fois plus élevée, qui résulte de la dépendance à peu près 35 quadratique entre la déformation élastique et la force 2547387, de précontrainte Son aire en coupe est à peu près du même ordre de grandeur que l'anneau d 'étanchéité d'usure. La configuration conforme a l'invention 5 procure un volume d'usure et de déformation admissible élevé de l'anneau d'usure et d'étanchéité liperiet, dans le cas d'un décalage radial des éléments pouvant coulisser dans le sens longitudinal- décalage qui se produit souvent à la suite de fortes charges en flexion et en 10 flexions alternées du train de tiges pendant le forageune adaptation spatiale de la surface d'étancheite a ce décalage et donne alors un temps d'ajustement très court L'efficacite du joint d'étancheite est ainsi conservée, même dans le cas de décalages radiaux 15 brusques. L'usure au niveau de la surface peripherique en mouvement, dont il est intentionnellement tenu compte dans le principe d'action du jointd'étanchéité, permet d'éliminer, par exemple des rayures, qui appa20 raissent par suite des rugosités de la surface de l'autre élément ainsi que du déplacement de particules abrasives, par enlèvement de la matière résiduelle La force de précontrainte associée a la grandeur de la surface périphérique et la résistance à l'usure de la 25 matière dont l'anneau d'étanchéité d'usure est formé, permettent d'obtenir une durée de vie, qui est telle que recherchée actuellement pour tous les outils de forage sujets à usure Cette valeur est, dans le cas des matières actuelles, de l'ordre d'environ 200 à 30 500 heures A titre de matière pour l'anneau d'étanchéité d'usure, le PTFE (polytétrafluoroéthylèene) s'est avéré adéquat. L'invention sera expliquee ci-apres avec référence aux dessins annexés, dans lesquels: la Fig I est un diagramme de la pression en 2547387; fonction de la vitesse de deux éléments d'un outil de forage mobiles longitudinalement l'un par rapport à l'autre; la Fig 2 est une vue en coupe longitudinale 5 partielle d'un outil de forage constituant un exemple de réalisation préféré de l'invention, et la Fig 3 est un schéma de principe semblable à la Fig 2 avec indication des pressions possibles et des forces dues à la sollicitation en compression. Le diagramme représenté sur la Fig 1 illustre l'évolution de la pression P,telle qu'elle se présente lors d'un déplacement longitudinal*de l'élément intérieur et de l'élément extérieur d'un amortisseur du calibre 11,25 " au niveau du joint d'étanchéité à haute 15 pression Cette pression est due à la tendance de l'huile à provoquer une égalisation des volumes par des canaux d'égalisation étroits, en particulier à l'intérieur de la zone à rainures et clavettes nécessaires pour la transmission du couple et de la zone du stabi20 lisateur de l'outil de forage Le domaine de tolérance représenté hachuré est dû a l'influence, de la viscosité et de la température de l'huile et pour partie aussi aux tolérances de fabrication et à l'usure à l'intérieur de l'outil de forage. La Fig 2 est une vue en coupe longitudinale fragmentaire d'un élément extérieur 1 et d'un élément intérieur 2 pouvant se déplacer longitudinalement par rapport au premier Dans l'éelement extérieur 1 est taillée une gorge circonférentielle 3 dont les flancs 4 30 et 5 convergent vers le fond 6 de la gorge sous un angle d'environ 80 par rapport à l'axe longitudinal Le fond 6 de la gorge présente lui-même une surface cylindrique et se raccorde aux flancs 4 et 5 par des arrondis La zone de la gorge annulaire 3 tournée vers 35 l'élément intérieur 2 est remplie par un anneau d'étan- * à la vitesse v 2547387; ch 6 it 6 d'usure 7 en polytetrafluoroethylène qui est sous-calibré par rapport à l'écartement axial des flancs 4,5 de la gorge Cet anneau d'étanchéité d'usure 7 présente des flancs latéraux 8,9 parallèles aux 5 flancs 4,5 de la gorge annulaire 3, une surface périphérique externe cylindrique 10, ainsi qu'une surface périphérique interne cylindrique 13 servant de surface d'étanchéité, qui est interrompue par deux gorges annulaires 11,12 de section en forme de V La surface 10 périphérique interne 13 s'applique contre l'élément interne 2 Entre le fond 6 de la gorge et la surface périphérique externe 10 de l'anneau d'étanchéité d'usure 7 se trouve un anneau de serrage et d'étanchéité 14 ayant la forme d'un anneau torique en matière 15 élastomère Cet anneau est, dans l'état neuf du joint d'étanchéité, comprime d'environ 40 % de son épaisseur radiale initiale, de sorte qu'il acquiert, en coupe, une forme ovale. La Fig 3 illustre les conditions de pression 20 et de serrage d'un joint d'étanchéite à haute pression tel que représenté sur la Fig 2 On suppose que le niveau de pression P 1, à droite au dessins est nettement plus élevé que le niveau de pression P 2, à gauche au dessin Cela étant, initialement, l'anneau 25 d'étanchéité d'usure 7 et l'anneau de serrage et d'étanchéité 14 s'appliquent contre le flanc gauche 4 de la gorge annulaire 3 et forment un joint d'étanchêité statique Le joint d'étanchéité en mouvement entre la surface périphérique 13 de l'anneau d'étan30 chéité d'usure 7 et l'élément interne 2 forme la zone particulièrement critique On admet que la perte de charge se produisant le long de cette surface d'étanchéité a une allure à peu près linéaire le long de l'axe de l'outil, comme le montre la représentation 15 35 en dessous de la surface périphérique interne 13 A 2547387. cause du sous-calibrage de l'anneau d'étanchéité d'usure 7, la pression Pl plus élevée peut aussi agir dans la gorge annulaire 3 et peut exercer une force sur la surface périphérique externe 10 de l'anneau d'étan5 chéité d'usure 7, comme illustré en 16 Etant donné que cette pression est constante jusqu'à la surface de contact de l'anneau de serrage et d'étanchéité 14 avec la surface périphérique externe 10 de l'anneau d'étanchéité d'usure 7, on obtient ici déjà un effet de 10 serrage croissant vers la gauche de l'anneau d'étanchéité d'usure 7 contre l'élément intérieur 2, en conséquence de la différence des pressions partielles indiquées par les flèches en 15 et 16 Simultanément, la pression Pl agit aussi sur la surface droite libre 15 17 de l'anneau d'étanchéité et de serrage 14, comme indiqué en 18 au dessin, et presse cette surface contre le flanc gauche 4 de la gorge annulaire 3. Cette force de réaction, d'une part, produit une force 22 qui pourrait ramener la section ovale de 20 l'anneau d'étanchéité et de serrage 14 à une section ronde, et d'autre part, suite à l'obliquité du flanc 4, fait apparaître encore une composante radiale supplémentaire indiquée en 19 Il en résulte que les deux forces exercent, sur l'anneau d'étanchéité d'usure 7, 25 une force radiale supplémentaire qui s'ajoute à l'élasticité propre de l'anneau de serrage et d'étanchéité 14 et qui, en particulier, renforce le serrage de cet anneau contre l'élément intérieur 2 dans la zone située davantage vers la gauche au dessin Finalement, la 30 force de pression, illustrée en 20, exercée sur le flanc droit 9 de l'anneau d'étanchéité d'usure 7, qui est convertie aussi, par appui de l'anneau d'étanchéité d'usure 7 contre le flanc gauche 4 de la gorge annulaire 3, en une force radiale, représentée en 21, 35 contribue également à une augmentation supplémentaire 2547387. de la force de serrage dépendant de la pression. L'usure de l'anneau d'étanchéite d'usure 7 est ainsi une fonction de la pression différentielle exercée sur cet anneau, ce qui permet d'obtenir une 5 adaptation optimale aux conditions de service L'invention peut, par conséquent; eu égard à une durée de service particulièrement longue, aussi être utilisée avantageusement dans des applications dans lesquelles les différences de pression n'atteignent pas la valeur 10 spécifiée au début du présent mémoire. 2547387. 1 i REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Joint d'étanchéité à haute pression pour deux éléments d'outils de forage profond pouvant coulisser longitudinalement l'un par rapport à l'autre, formé d'un anneau d'étanchéité d'usure monte dans une gorge annulaire d'un premier élément et s'appliquant contre le second élément et d'un anneau de serrage exerçant une précontrainte radiale sur l'anneau d'étan10 chéité, caractérisé en ce que l'anneau d'étanchéité d'usure ( 7) s'applique, par une surface périphérique ( 13) s'étendant en substance sur toute sa longueur axiale, de manière étanche contre le second élèment( 2), l'anneau d'étanchéité d'usure ( 7) est en outre sous15 calibré axialement par rapport à la largeur de la gorge annulaire ( 3) du premier élément ( 1) qui le reçoit et peut se déplacer entre lees deux flancs ( 4,5) de la gorge annulaire pour former, au choix, une surface d'étanchéité statique contre un des flancs ( 4,5) de la 20 gorge annulaire, tandis que l'anneau de serrage est formé par un anneau de serrage et d'étanchéité ( 14) volumineux, pouvant être comprimé radialement et en une matièrc él astom -ère, ledit anneau de serrage étant serré entre la surface périphérique ( 10) de l'anneau d'étanchéité 25 d'usure ( 7) opposée à la surface périphérique ( 13) assurant l'étanchéité et le fond ( 6) de la gorge annulaire. 2. Joint d'étanchéité a haute pression suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau d'étanchéité d'usure ( 7) est pourvu de gorges 30 annulaires ( 11,12) dans sa surface périphérique ( 13) appliquée contre le deuxième élément ( 2) 3. Joint d'étanchéité a haute pression suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les gorges annulaires ( 11,12) de l'anneau d'étanchéité 35 d'usure ( 7) ont une section transversale en forme de V. 2547387: 4. Joint d'étancheite 2 haute pression suivant une ou plusieurs des revendications 1 a 3 a caractérisé en ce que la gorge annulaire ( 3) recevant l'anneau d'étanchéite d 'usure ( 7) présente une section 5 a peu pros trapézoidale; les flancs ( 4,5) convergeant l'un vers l'autre vers le fond ( 6) de la gorge annulaire, et l'anneau d'etanchéite d'usure ( 7) comporte des flancs ( 8,9) qui s'étendent parallèlement aux flancs voisins ( 4,5) de la gorge annulaire ( 3) 5 Joint d'étancheite a haute pression suivant une ou plusieurs des revendications 1 a 4, caractérisé en ce que la transition des flancs ( 4,5) de la gorge annulaire au fond ( 6) de la gorge annulaire est arrondie. 6 Joint d'etanchéite à haute pression suivant une ou plusieurs des revendications 1 A 5, caractérisé en ce que la gorge annulaire ( 3) recevant l'anneau d'étanchélte d'usure ( 7) est taillee dans un premier élément ( 1) encerclant le deuxième élément ( 2). 20 7 = Joint d'étanchéité à haute pression suivant une ou plusieurs des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'anneau d'etanchéite et de serrage ( 14) a la forme d'un anneau torique; présente une surface en coupe du même ordre de grandeur que 25 celle de l'anneau d'étanchéite d'usure ( 7) non usé, de préférence de l'ordre de 50 à 100 % de l'aire en coupe de cet anneau ( 7) et est comprimé radialement, à l'état monté, d'environ 40 % de son épaisseur initiale. 8. Joint d'étancheité a haute pression 30 suivant une ou plusieurs des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'anneau d'étanchéité d'usure ( 7) est en polytétrafluoroéthylène (PTFE).