Brevet FR2537237A1 — publié le 19840608

L'invention concerne les joints, et notamment - un joint et un ensemble à joint destinés à fermer l'espace annulaire compris entre des dispositifs de suspension de tubage placés à la tête d'un puits. Lors du forage de puits sous-marins, des tubages concentriques sont montés en suspension Ils protègent les couches les plus hautes de la pression et des fluides pouvant être rencontrés à de plus grandes profondeurs. Les dispositifs de suspension de tubage sont disposés concentriquement pour supporter les diverses rames formées par les tubages. Il est nécessaire de contenir la pression dans le tubage intérieur afin que l'espace annulaire situé à l'extérieur de ce tubage ne reçoive pas la haute pres-. sion A cet effet, il est connu d'obturer ou de fermer l'espace annulaire entre les corps des dispositifs de suspension comme décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 492 026. Un joint particulier pour obturer l'ouverture annulaire est décritddans le brevet des Etats-Unis d'Amé- rique NO 3 797 864 Ce joint de l'art antérieur comprend un anneau en élastomère interposé entre deux anneaux métalliques Chaque anneau comporte deux lèvres s'éten- dant vers l'élastomère de manière que, sous l'effet d'une compression axiale, les lèvres soient déplacées à force vers l'extérieur pour entrer en contact avec les parois. La réalisation d'une telle obturation à l'aide du joint décrit dans le brevet NO 3 797 864 précité,-face à une pression de 70 M Pa, exige d'appliquer à la vis de presse- étoupe un couple de 2700 da N m Ce couple doit être appli- qué au niveau de la plate-forme, au-dessus de la surface de l'eau, et transmis par une longue colonne de forage pour faire tourner l'écrou de presse-étoupe Il doit être appliqué en sens inverse pour retirer le joint, ce qui fait apparaître le risque d'un dévissage d'un joint *de la colonne de forage. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 324 422 permet de réduire le couple demandé en formant des pieds à l'extrémité des lèvres (voir figure 5 du brevet précité) afin que, pour une force axiale donnée, on obtienne une force plus élevée de contact étanche sur le métal. Ceci donne satisfaction aux basses pressions; mais des essais d'obturation face à des pressions élevées, par exemple 105 M Pa, conduisent parfois à une défaillance. Le pied réalise une obturation sous une faible force, mais la force élevée demandée pour une pression plus élevée provoque un bombement de la lèvre vers l'extérieur en tournant autour du talon du pied Ceci soulève la lèvre, ce qui permet une extrusion de l'élastomère. Le joint et l'ensemble à joint selon l'invention comprennent un anneau d'étanchéité en élastomère interposé entre deux anneaux métalliques d'étanchéité, ayant chacun deux lèvres étendues qui peuvent être forcées vers l'exté- rieur par l'élastomère L'anneau d'élastomère est plus épais que les deux anneaux métalliques et que l'espace annulaire à fermer Lorsque ce joint est introduit à force dans l'espace annulaire, une obturation à basse pression est formée par l'élastomère Par conséquent, bien que le joint puisse être mis en place par compression, ceci n'est pas nécessaire, car le-joint est sollicité par pression. La surface extérieure des lèvres d'au moins l'anneau inférieur est sensiblement parallèle à l'état non sollicité Les lèvres-ont une épaisseur qui augmente avec la longueur à partir de l'extrémité et une épaisseur réduite à proximité de la base Les extrémités des lèvres présentent un bord intérieur -arrondi, et l'élastomère comporte une partie supérieure située immédiatement au- dessous de-l'anneau supérieur, de même diamètre que l'an- neau métallique. L'écrou de presse-étoupe destiné à comprimer le joint est conçu pour permettre à l'anneau supérieur de se déplacer vers le bas lorsqu'il est sollicité par une pression. 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 coupe axiale de l'ensemble à joint selon l'invention à l'état non sollicité; la figure 2 est une coupe axiale de l'ensemble à joint selon l'invention dans l'état sollicité par une pression; la figure 3 est une coupe axiale d'un détail du joint; la figure 4 est une coupe axiale montrant la lèvre à l'état non sollicité; la figure 5 est une coupe axiale montrant la lèvre dans un état légèrement sollicité; et la figure 6 est une coupe axiale montrant la lèvre dans un état totalement sollicité. Le corps 10 d'un dispositif de suspension de tubage intérieur porte une rame de tubage qui est supportée par un corps 12 de suspension de tubage intermédiaire. Des agencements typiques sont décrits dans les brevets No 3 492 026 et No 3 797 864 précités Il est souhaité d'obturer l'espace annulaire 14 pour empêcher la haute pression du sondage 16 d'atteindre l'espace annulaire compris entre les tubages et de régner dans cet espace annulaire. On souhaite placer un joint 18 dans l'espace annulaire 14 Le joint comprend un anneau métallique supérieur 20, un anneau intermédiaire 22 d'étanchéité en élastomère et un anneau métallique inférieur 24 d'étan- chéité A cet effet, un écrou 26 de presse-étoupe est vissé sur le corps 10 du dispositif de suspension et il peut être tourné à l'aide d'un outil de descente (non représenté). L'anneau supérieur d'étanchéité présente une rainure 28 et l'écrou de presse-étoupe présente une rainure 30 Un anneau élastique 32 s'ajuste dans les deux rainures afin que le joint puisse être porté par l'écrou de presse-étoupe et soulevé par ce dernier pour être retiré Il est représenté dans cette position sur la figure 1. Lorsque l'on fait tourner l'écrou de presse- étoupe, le joint rencontre une certaine résistance en pénétrant dans l'espace 14, et la partie de l'espace située au-dessus d'un élément 34 d'appui en "Téflon" se ferme, une force de compression étant appliquée par un épaulement à l'ensemble du joint Les-rainures 28 et 30 sont disposées de manière que l'anneau élastique 32 ne se coince pas pendant cette opération. Ainsi qu'on peut mieux le voir sur la figure 3, l'anneau supérieur 20 d'étanchéité comporte deux lèvres 36 et 38 s'étendant vers le bas, tandis que l'anneau inférieur 24 d'étanchéité comporte deux lèvres 40 et 42 s'étendant vers le haut Les extrémités 44 des lèvres présentent chacune un bord intérieur arrondi 46 qui amé- liore l'interface entre l'élastomère et le métal dans la mesure o la pression appliquée à l'élastomère agit à force sur la lèvre pour qu'elle n'établisse plus de contact linéaire, et minimise le risque d'extrusion de l'élastomère à travers l'intervalle. L'élastomère présente une épaisseur 48 qui est supérieure de 8 à 20 % à l'épaisseur des anneaux métalli- ques d'étanchéité L'anneau 50 en élastomère comporte également une partie plate ayant sensiblement la même épaisseur que l'anneau métallique d'étanchéité, cette partie plate étant située immédiatement au-dessous de l'anneau supérieur d'étanchéité. En se référant à la figure 2, on peut voir que, lorsque l'anneau d'étanchéité est introduit dans l'espace annulaire 14, l'élastomère est comprimé à une épaisseur réduite, formant ainsi un joint à basse pression entre les corps des dispositifs de suspension Le joint est davantage abaissé et la partie plate 50 de l'élastomère empêche l'élastomère de pénétrer dans l'espace compris entre la lèvre 38 et le corps du dispositif de suspension. A ce moment, seule une force de frottement s'oppose à l'entraînement du joint, et les lèvres supérieures tendent à s'écarter d'une manière qui seraexpliquée ci-après dans la description des lèvres Le joint est davantage abaissé jusqu'à ce que l'anneau métallique inférieur 24 bute contre un épaulement 52 situé sur le corps 10 du dispositif de suspension A ce moment, le joint peut être placé sous compression totale par descente de l'écrou de presse-étoupe sous un couple suffisant Cependant, il est souhaitable et préférable de n'utiliser qu'une compression-partielle afin que le couple demandé soit minimisé Après la mise en place sous compression partielle, dans le cas d'une pression élevée dépassant celle pour laquelle la garniture a été comprimée, le joint existant pour basse pression est davantage sollicité Le joint prend la-forme montrée sur la figure 3 dans laquelle la pression pousse vers le bas l'anneau supérieur d'étan- chéité, comprimant davantage l'élastomère Pour permettre ce mouvement de descente, la rainure 28 présente une largeur -supérieure à celle de l'anneau élastique. Si l'on décrit à présent le fonctionnement des lèvres en ce qui concerne en particulier l'anneau métalli- que inférieur 24 d'étanchéité, la position initiale des lèvres est telle que les surfaces extérieures sont parallèles, comme indiqué par la lèvre unique montrée sur la figure 4 La compression initiale en épaisseur de l'anneau 22 en élastomère lorsqu'il pénètre dans l'es- pace 14 n'affecte pas notablement la position des-lèvres 40 et 42 Lorsque l'anneau heurte la butée 52 et qu'une force supplémentaire lui est appliquée, la force de l'élastomère pousse les lèvres vers l'extérieur comme illustré sur la figure 5 Ceci est facilité par l'épais- seur réduite présente en 54, de sorte qu'un contact linéaire est réalisé sous une très faible force à l'ex- trémité 56 Par conséquent, un bon contact est établi avant qu'une pression excessive existe dans l'élastomère, empêchant ainsi l'extrusion de l'élastomère entre l'an- neau métallique d'étanchéité et le corps du dispositif de suspension. La lèvre présente une épaisseur qui augmente à partir de son extrémité, sur la plus grande partie de sa longueur, de sorte que, lorsque la pression augmente, la lèvre se déforme comme montré sur la figure 6, l'aire active augmentant entre l'anneau d'étanchéité et le corps du dispositif de suspension sans que l'anneau d'étanchéité se soulève à l'extrémité A une pression encore plus grande, la lèvre est en contact sur toute sa longueur Bien que la formation d'un joint métallique étanche à la pression soit prévue, ceci n'est pas considéré comme aussi critique que le maintien du contact de l'extrémité à toutes les pressions afin d'empêcher l'extru- sion -de l'élastomère dans l'intervalle formé. En ce qui concerne à présent l'anneau supérieur d'étanchéité, on peut voir que, lorsque le joint est in- troduit sous pression dans l'espace annulaire 14, une certaine force est appliquée aux lèvres en raison du frottement Ces lèvres tournent donc autour de la partie réduite du joint, de sorte qu'un contact précoce-est réalisé avec les extrémités des lèvres, ce qui s'oppose encore à l'extrusion de l'élastomère Tant que le joint est déformé par compression, l'action des lèvres est la même que celle se produisant sur l'anneau inférieur d'étanchéité, hormis le fait qu'elles se déplacent vers le bas pendant la compression sous l'effet de la compres- sion de l'élastomère. En outre, dans le cas d'une inversion de la pression, les lèvres se comportent d'une manière identique pourvu que l'anneau supérieur 20 d'étanchéité soit appliqué contre l'épaulement 35. Cependant, lorsque le joint est appliqué par la pression, les lèvres ne restent en extension vers l'ex- térieur que dans la mesure o la résistance élastique de la partie mince 54 est dépassée pendant la déformation par compression Il est donc prévu de réduire le jeu, sans cependant le fermer totalement Toutefois, étant donné que la force exercée vers le bas est due à la pression, elle agit sur l'élastomère aussi bien que sur l'anneau d'étanchéité Cette force sollicite à la fois l'élastomère et les lèvres de l'anneau métallique infé- rieur d'étanchéité La pression extrêmement élevée à laquelle le joint doit résister ne correspond pas à une condition normale Elle apparaît pendant le forage, uni- quement dans des cas o une perte de la maîtrise de la pression se produit Par conséquent, bien que le joint doive supporter une pression maximale, il passe la plu- part de son temps sous des pressions plus faibles. La mise en place par pression partielle du joint amène les lèvres 36 et 38 de l'anneau supérieur 20 d'étanchéité en contact avec les parois Ce contact est maintenu pendant le travail sous basse pression, ce qui protège l'élastomère des effets de détérioration que le fluide de forage produit avec le temps Le fluide ne peut atteindre l'élastomère que pendant les écarts de pression vers des valeurs élevées. Les termes "haut" et "bas" sont utilisés pour plus de commodité, étant évident que, dans des conditions appropriées, le joint peut être retourné ou peut fonction- ner horizontalement. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au joint décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Joint destiné à un espace annulaire, caracté- risé en ce qu'il comporte un anneau métallique inférieur ( 24) d'étanchéité, un anneau métallique supérieur ( 20) d'étanchéité, un anneau ( 22) d'étanchéité en élastomère disposé entre les anneaux métalliques et ayant une épais- seur supérieure à celle de chacun des anneaux métalliques, au moins l'anneau inférieur comportant deux lèvres ( 40, 42) qui s'étendent vers le haut et dont la surface exté- rieure de chacune d'elles est linéaire sur la plus grande partie de sa longueur. 2 Joint selon la revendication 1, caractérisé en ce que-les surfaces extérieures des lèvres sont sen- siblement parallèles. 3 Joint selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les lèvres présentent une épaisseur qui accroît à partir de leur extrémité ( 44) sur la plus grande partie de leur longueur, et une épaisseur réduite à proximité de leur base. 4 Joint selon l'une des revendication 1 et 3, caractérisé en ce que l'anneau supérieur d'étanchéité comporte également deux lèvres ( 36, 38) qui s'étendent vers le bas, la surface extérieure de chaque lèvre étant linéaire sur la plus grande partie de sa longueur. 5 Joint selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'anneau en élastomère comporte une partie ( 50) de diamètre réduit à son extrémité supérieure, adjacente à l'anneau métallique supérieur et ayant sensiblement la même épaisseur que cet anneau supérieur. 6 Joint selon l'une des revendications 3 et 5, caractérisé en ce que chacune des lèvres présente un bord intérieur arrondi ( 46) à son extrémité. 7 Joint selon l'une des revendications 1 et 6, caractérisé en ce que l'épaisseur ( 48) de l'anneau d'étan- chéité en élastomère dépasse de 8 à 20 % l'épaisseur des anneaux métalliques d'étanchéité. 8 Joint selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les lèvres ont une épaisseur croissance à partir de leur extrémité ( 44), sur la plus grande partie de leur longueur, et une épaisseur réduite à proximité de leur base. 9 Ensemble à joint destiné à fermer un espace annulaire entre des corps concentriques ( 10, 12) renfer- mant une pression, par exemple des corps de dispositifs de suspension, l'un de' ces corps comportant un épaulement ( 52), l'ensemble à joint étant caractérisé en ce-qu'il comporte un anneau métallique inférieur ( 24) d'étanchéité, un anneau métallique supérieur ( 20) d'étanchéité, un anneau ( 22) d'étanchéité en élastomère interposé entre les anneaux métalliques et ayant une épaisseur supérieure à celle de chaque anneau métallique, les anneaux métalli- ques d'étanchéité et l'anneau d'étanchéité en élastomère constituant un joint, au moins l'anneau inférieur compor- tant deux lèvres ( 40 e 42) s'étendant vers le haut et dont les surfaces extérieures sont linéaires sur la plus grande partie de leur longueur, des moyens de compression étant destinés à supporter le joint et le comprimer vers le bas contre l'épaulement, et des moyens permettant un mouvement de descente supplémentaire de l'anneau supérieur sans déplacement des moyens de compression - Ensemble à joint selon-la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de compression compren- nent un écrou ( 26) de presse-étoupe, des gorges annulaires ( 28, 30) ménagées dans l'anneau supérieur et dans l'écrou de presse-étoupe, un anneau élastique ( 32) logé dans les gorges annulaires, les moyens permettant un mouvement supplémentaire comprenant l'une des gorges dont la largeur est sensiblement supérieure à celle de l'anneau élastique. 11 Ensemble à joint selon l'une des revendica- tions 9 et 10, caractérisé en ce que les lèvres ont une épaisseur croissante à partir de leur extrémité ( 44) -sur la plus grande partie de leur longueur, et une épais- seur réduite à proximité de leur base. 12 Ensemble à joint selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'anneau supérieur d'étanchéité comporte également deux-lèvres ( 36, 38) s'étendant vers le bas, la surface extérieure de chaque lèvre étant linéaire sur la plus grande partie de sa longueur. 13 Ensemble à joint selon la revendication 12, caractérisé en ce que les surfaces extérieures des lèvres sont sensiblement parallèles. 14 Ensemble à joint selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'anneau en élastomère comporte une partie ( 50) de diamètre réduit à son extrémité supé- rieure, cette partie étant adjacente à l'anneau supérieur métallique et ayant sensiblement la même épaisseur que cet anneau supérieur.