Brevet FR2543611A1 — publié le 19841005

La présente invention corce;rne un joint pour colonne montante servant à des recherches pétrolières sous l'eau et, en particulier, un joint télescopique convenant pour le raccordement extensible de tuyaux de colonne montante du type à tubes composites individuellement munis de tubes internes pour le tubage. On utilise surtout de nos jours des plates-formes situées au large des côtes (plates-formes fixes) pour exploiter des gisements pétroliers situés au large des côtes Vu la tendance accrue à l'exploitation pétrolière à partir de zones marines plus profondes, l'installation de plates-formes fixes telles que mentionnées plus haut est sur le point d'atteindre les limites du possible pour des raisons économiques et techniques. Pour venir à bout de ces limitations, on a mis au point le mode d'exploitation pétrolière dit sous-marin en tant que mode d'exploitation permettant de se passer des plates-formes classiques prévues au large des côtes Selon le mode d'exploi- tation pétrolière sous-marin, on dispose sur le fond marin de nombreux portiques (de puits de pétrole), on combine ensem- ble les fractions de pétrole récupérées à partir des porti- ques, toujours sur le fond marin, et l'on guide les fractions de pétrole ainsi combinées vers la surface de la mer, après quoi on les traite, on les stocke et on les expédie. Selon un tel mode d'exploitation pétrolière sous-marine, chaque portique sous-marin est relié à un bateau d'entretien et de contrôle, qui flotte sur la mers au moyen d'une série de tuyaux généralement appelés "colonne montante" A travers ces tuyaux de colonne montante, le groupe hydraulique du portique est commandé pour opérer l'entretien et le contrôle du portique et le travail de recueil du pétrole provenant du portique. On va maintenant décrire plus en détail le travail sus- indiqué effectué par l'intermédiaire de la colonne montante. Il est prévu un appareil de positionnement qui descend verti- calement l'extrémité inférieure de la colonne montante dans la mer à partir d'un bateau d'entretien L'appareil de posi- tionnement dispose la colonne montante juste au-dessus d'un 25436 11 portique et insère ensuite cette extrémité inférieure dans le portique. Une fois effectués ce positionnement et l'accouplement de la colonne montante au portique, le groupe hydraulique monté dans le portique est manoeuvré au moyen d'une conduite hydrau- lique disposée dans la colonne montante en vue d'effectuer diverses tâches d'entretien et de contrôle Les colonnes mon- tantes destinées à assurer ce travail d'entretien et de con- trôle ou à poser et récupérer de tels portiques sont appelées colonnes montantes de rentrée En général, chacune de ces colonnes montantes de rentrée comporte intérieurement, outre la conduite hydraulique précitée, deux tuyaux pour le tubage, l'un pour le recueil de pétrole brut et l'autre pour le netto- yage du tuyau pour le tubage du portique au moyen d'un câble métallique-et d'un outil de pompage descendant. On notera en passant qu'il est nécessaire de maintenir l'extrémité inférieure d'une telle colonne montante fixée au portique reposant sur le fond marin lorsqu'on souhaite nettoyer le tuyau pour le tubage du portique Or, l'extrémité supérieure de la colonne montante est reliée à un bateau d'entretien qui se soulève et redescend sous l'effet des vagues S'il faut fixer l'extrémité supérieure de la colonne montante au bateau d'entretien, la colonne montante subit une déformation et des efforts de traction excessifs du fait des déplacements ascen- dants et descendants du bateau d'entretien, ce qui provoque son endommagement précoce. On a donc proposé de fixer d'une manière dans l'ensemble flottante, l'extrémité supérieure de la colonne montante au bateau et, simultanément, de relier l'extrémité supérieure de chaque conduite hydraulique à la source hydraulique respec- tive au moyen d'un tuyau souple fixé à l'extrémité supérieure de la conduite hydraulique de façon que l'extrémité supérieure de la colonne montante puisse de déplacer verticalement par rapport au bateau en fonction des mouvements ascendants et descendants de ce dernier Pour ce qui est de colonnes montan- tes de rentrée, celles-ci contiennent généralement des tuyaux pour le tubage Il est toutefois Impossible d'associer des raccords à faible courbure, tels que tubes souples, à ces tuyaux pour le tubage parce que ceux-ci servent à effectuer des opérations de nettoyage au moyen d'un câble métallique et d'un outil de pompage descendant. Divers avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description détaillée ci-après faite en regard des dessins annexés sur lesquels: FIG 1 est une vue latérale schématique de l'ensemble d'une colonne montante munie d'un joint télescopique suivant la présente invention, illustrant le mode d'utilisation de la colonne montante; FIG 2 est une vue en coupe transversale d'un tronçon de colonne montante; FIG 3 est une vue latérale d'un joint télescopique suivant le premier mode de réalisation de l'invention, en coupe suivant la ligne C-C' de la figure 4; -FIG 4 est une vue en coupe droite suivant la ligne B- B de la figure 3; - FIG 5 est une vue en coupe droite suivant la ligne A-A de la figure 3; et FIG 6 illustre le fonctionnement d'un joint télesco- pique selon la présente invention. Compte tenu des difficultés exposées plus haut, la présente invention a pour objet de proposer un mécanisme de raccordement de colonne montante particulier, de nature à permettre des mouvements ascendants et descendants d'un bateau malgré le raccordement fixe de l'extrémité inférieure de la colonne montante, munie intérieurement de tuyaux pour le tubage à un portique reposant sur le fond marin et malgré la fixation de l'extrémité supérieure de la colonne montante au bateau. La présente invention propose donc un joint de colonne montante télescopique dont la structure comporte des raccords présentant des parties de raccordement à la colonne montante et vissés l'un dans l'autre de façon à absorber les mouvements ascendants et descendants d'un bateau par mouvements glissants des raccords, alors que l'extrémité inférieure de la colonne montante est fixée sur le fond marin, les modifications de volume subies par des tronçons glissants pendant les mouve- ments glissants des raccords étant uniformément absorbées et la fuite d'huile active des tuyaux pour le tubage vers le joint étant absorbée en logeant les tuyaux pour le tubage dans le joint. La figure 1 illustre le mode d'utilisation d'une colonne montante munie d'un joint télescopique Elle représente un bateau 1, une colonne montante 2, un portique 3 et un appa- reil de positionnement 4 D'un autre côté, la figure 2 repré- l O sente en coupe la structure d'une colonne montante de rentrée, contenant plusieurs conduites de petit diamètre 5 qui sont des conduites d'huile hydraulique de travail et deux conduites de grand diamètre 6 qui sont les tuyaux pour le tubage pré- cité. En se référant aux figures 3 à 6 des dessins annexés, on va décrire un mode de réalisation de-l'invention qui a été concrètement appliqué La figure 3 représente un joint télescopique J selon-ledit mode de réalisation de l'invention, en coupe droite suivant la ligne C-C' de la figure 4 La figure 4 est une vue en coupe droite suivant la ligne B-B de la figure 3 La figure 5 est une vue en coupe droite sui- vant la ligne A-A de la figure 3 Dans la réalisation repré- sentée à titre d'exemple sur ces dessins, un raccord taraudé est fixé à un élément de colonne montante situé à côté du bateau tandis qu'un raccord fileté est fermement fixé à th élément de colonne montante situé à côté du portique, et placé à l'aplomb de l'élément de colonne montante situé à côté du bateau. Sur la figure 3, un raccord taraudé 10 est fixé à une colonne montante non représentée, placée sur un bateau, au moyen d'un élément de raccord 11 Le raccord 10 définit deux passages pour le tubage 12 qui s'étendent parallèlement suivant la direction axiale à travers l'intérieur du raccord Les passages pour le tubage 12 communiquent respectivement avec des tuyaux pour le tubage non représentés logés dans une colonne montante reliée par son extrémité supérieure au joint télescopique J Les passages pour le tubage 12 servent de passages pour des opérations au moyen d'un câble métallique et des opérations avec un outil de pompage descendant Le raccord taraudé 10 présente, en un point intermédiaire entre ses extrémités supérieure et inférieure, une bride horizontale 13 Il définit à sa partie inférieure un tronçon d'accouplement cylindrique 14 qui permet l'accouplement par vissage avec un raccord décrit ci-dessous Le tronçon d'accouplement 14 du raccord taraudé 10 est inséré avec liberté de coulisse- ment axial dans un alésage de glissement cylindrique 16 ménagé à travers la partie centrale d'un raccord fileté 15 quasi cylindrique Le débouché inférieur de l'alésage de glissement 16 est fermé par une plaque d'extrémité cylindrique 17 qui constitue la partie de raccordement d'une colonne montante à relier à l'extrémité inférieure du joint A travers la plaque d'extrémité 17 sont ménagés deux passages pour le tubage 18 parallèles entre eux et coaxiaux aux passages pour le tubage correspondants 12 ménagés dans le raccord taraudé A l'extrémité supérieure du passage pour le tubage 18 est fixé, vers le haut, un tronçon de nez cylindrique fixe 20 définissant un alésage de communication 19, à diamètre intérieur égal aux diamètres intérieurs du passage pour le tubage 18 et du passage pour le tubage 12, ménagé axialement dans le tronçon de nez 20 Le tronçon de nez 20 est inséré à coulissement, axialement, dans un alésage 21 ménagé pour le recevoir dans le tronçon d'extrémité inférieur du passage pour le tubage 12, lui-même ménagé dans le tronçon d'accouple- ment 14, de sorte que l'alésage récepteur 21 et le passage 12 communiquent l'un avec l'autre On notera en passant que toutes les références numériques 38, 38 a désignent des joints d'étanchéité tels que joints toriques. Sur la face inférieure de la bride 13 a prévue sur le raccord fileté 15 en position intermédiaire entre les extré- mités haute et basse de celui-ci, deux vérins pneumatiques 22 sont montés symétriquement par rapport à l'axe central 23 G de la colonne montante et du joint télescopique J Les tronçons d'extrémité supérieurs des tiges de piston 23 des vérins pneumatiques 22 sont fixés à la bride 13 au moyen d'écrous 24 Le volume du compartiment d'air 25 de chaque vérin pneumatique 22 varie en fonction des déplacements verticaux du piston 26 correspondant, accouplé à la tige de piston 23. Chacun des compartiments à air 25 communique à travers un tuyau souple 27 avec un espace à volume variable 28 délimité par la face supérieure 17 ' de la plaque d'extrémité 17, par la paroi intérieure de l'alésage de glissement 16, par la face inférieure 14 ' du tronçon d'accouplement 14 et par la face extérieure du tronçon de nez 20 Les aires transversales du compartiment d'air 25 et de la tige de piston 23 de chaque vérin pneumatique 22 sont déterminées en sorte que la section transversale efficace de l'espace 28, à savoir la différence obtenue en soustrayant l'aire transversale du tronçon de nez de l'aire transversale de l'alésage de glissement 16, soit égale à la somme des aires transversales efficaces des compar- timents d'air 25 des vérins pneumatiques droit et gauche 22, c'est-à-dire à l'aire obtenue en soustrayant les aires trans- versales des deux tiges de piston 23 des aires transversales des deux compartiments d'air 25 des deux vérins pneumatiques 22. De plus, deux petits vérins hydrauliques 29 sont prévus parallèlement l'un à l'autre sur la bride 13 a en des emplace- ments décalés de 90 par rapport aux vérins pneumatiques 22. Les tiges de piston 30 des vérins hydrauliques 29 sont fixées à la bride 13 au moyen d'écrous 31 Le compartiment d'huile 32 de chacun des vérins hydrauliques 29 communique à travers un tuyau souple 33 avec le passage pour le tubage 18 ménagé dans la plaque d'extrémité 17 Etant donné que le passage pour le tubage 18 communique avec le passage pour le tubage 12 par l'alésage de communication 19, le compartiment d'huile 32 communique avec un espace supérieur 34 ménagé dans le tron- çon de nez 20 placé dans l'alésage de réception 21 de tronçon de nez qui communique avec le passage pour le tubage 12 L'aire efficace totale des compartiments d'huile 32 des deux vérins hydrauliques 29, à savoir l'aire obtenue en soustrayant les aires transversales des deux tiges de piston 30 des aires transversales des compartiments d'huile 32 est déterminée de manière à être égale à l'aire transversale efficace totale du tronçon de nez 20, c'est-à-dire à l'aire obtenue en sous- trayant l'aire transversale totale des deux alésages de com- munication de l'aire transversale totale des deux tronçons de nez 20. On notera en passant qu'un anneau de traction 36 est prévu sur la paroi périphérique extérieure du raccord fileté au moyen d'un palier de butée axiale 35 L'anneau de-trac- tion 36 est destiné à exercer sur le raccord fileté 15 une traction constante appliquée vers le haut suivant quatre directions par des câbles 37, ce qui évite la déformation du bas de la colonne montante. On va maintenant décrire le fonctionnement du joint télescopique décrit ci-dessus en se référant à la figure 3 ainsi qu'à la figure 6 afin de décrire plus en détail le joint télescopique suivant la présente invention Quand le bateau se soulève et s'abaisse en épousant les mouvements de montée et de descente du niveau de la mer, le raccord taraudé 10 fixé à l'élément de colonne montante situé à côté du bateau se déplace aussi verticalement Etant donné que le raccord taraudé 10 est susceptible de coulisser axialement par rapport au tronçon d'accouplement 14 et à l'alésage de glissement 16 dans lequel ce tronçon 14 est inséré, le raccord fileté fixé à l'élément de colonne montante situé sur le fond marin peut demeurer relié par l'intermédiaire de la plaque d'extrémité 17 au raccord taraudé 10 tout en conservant une position verticale fixe On va supposer que le raccord taraudé 10 se trouve déplacé vers le haut du fait d'un mouve- ment du bateau Le déplacement vers le haut du raccord taraudé 10 amène les tiges de piston 23 et pistons 26, qui sont accouplés au raccord taraudé 10, à se déplacer vers le haut. De l'air est alors chassé hors des compartiments d'air 25 des vérins pneumatiques 22 à travers les tuyaux souples 27. L'air ainsi chassé peut ensuite pénétrer en totalité dans l'espace 28 Etant donné que l'aire transversale efficace Ai de l'espace 28 est égale à l'aire transversale efficace totale A 2 des compartiments d'air 25 des vérins pneumatiques 22 et que l'amplitude des mouvements des pistons 26 est égale à l'amplitude du mouvement décrit par le raccord taraudé 10 par rapport au raccord fileté 15, un volume d'air équivalent à l'augmentation de volume de l'espace 28 est introduit à partir des vérins pneumatiques 22 pour maintenir constante la pression régnant dans l'espace 28 Quand le tronçon d'accouplement 14 du raccord taraudé est tiré vers le haut à partir du raccord fileté 15, la pression régnant dans l'espace 28 baisse pour éviter que le déplacement du raccord taraudé 10 soit fâcheusement affecté. Etant donné que le tronçon de nez 20 est inséré dans l'alésage de réception 21 de tronçon de nez pour maintenir la communication rectiligne des tuyaux pour le tubage dans la structure selon l'invention, la pression d'huile de -15 manoeuvre régnant dans l'espace 34 agit sur la partie terminale supérieure du tronçon de nez et engendre, par l'intermédiaire de ce tronçon 20 une force qui repousse le raccord taraudé vers le haut Etant donné que l'espace 34 communique avec les compartiments d'huile 32 des vérins hydrauliques 29 et que les aires transversales efficaces respectives A 3 et A 4 sont égales entre elles, une pression égale à celle appliquée à la partie terminale du tronçon de nez 20 exerce une force qui repousse vers le bas les pistons 30 ' et tiges de-piston des vérins hydrauliques 29 fixés sur le raccord fileté 15. Ces forces dirigées vers le haut et vers le bas sont équili- brées, ce qui annule les poussées axiales s'exerçant sur le raccord taraudé 10. Le joint d'étanchéité 38, tel que joint torique, est inséré et posé à l'endroit de coulissement entre le tronçon de nez 20 et l'alésage 21 de réception de ce tronçon Même si une fuite d'huile apparaît du fait d'une rupture du joint d'étanchéité 38, l'huile de fuite est guidée vers les comparti- ments d'air 25 des vérins pneumatiques 22 et on évite ainsi l'inconvénient de la voir fuir hors du joint parce que l'espace 28 communique avec les compartiments d'air 25 des vérins pneu- matiques 22 selon la présente invention. La réalisation ci-dessus de la présente invention a été décrite à propos du joint télescopique convenant pour association à une colonne montante de rentrée Toutefois, il ne faut pas perdre de vue que la présente invention est applicable non seulement à de telles colonnes montantes mais aussi par exemple, à des colonnes montantes d'exploitation du type à tubes composites servant à extraire du pétrole de petits gisements pétroliers. Comme décrit ci-dessus en détail, la présente invention propose un joint télescopique de colonne montante destiné 1 o à relier un tuyau de colonne montante, fixé à un portique situé sur le fond marin et muni intérieurement d'une série de tuyaux pour le tubage, avec liberté de coulissement suivant son axe, à un tuyau de colonne montante fermement fixé à un bateau, comprenant: un raccord taraudé et un raccord fileté réunis l'un à l'autre avec emboîtement du second sur le premier et tous deux susceptibles de coulisser axialement; un tronçon de nez emboîté à coulissement dans un alésage de réception de tronçon de nez communiquant avec des passages pour le tubage, ménagés dans le raccord taraudé et définissant un alésage de communication qui communique avec des passages pour le tubage prévus de manière fixe dans le raccord fileté en des parties radialement intérieures de celui-ci; et des vérins pneumatiques montés fixes sur la paroi exté- rieure de l'un des raccords de façon à être parallèles à l'axe central de ce raccord et symétriques par rapport à cet axe central, l'aire transversale efficace totale desdits vérins pneumatiques étant égale à l'aire transversale efficace des tronçons emboîtés des raccords taraudé et fileté, les compar- timents d'air desdits vérins communiquant avec un'espace à volume variable des tronçons emboîtés des raccords taraudé et fileté, et les extrémités distales des tiges de piston desdits vérins pneumatiques étant fermement fixées à l'autre raccord La structure indiquée ci-dessus du joint télescopique de colonne montante permet à l'un des raccords, à savoir le raccord accouplé par vissage à l'autre raccord relié au tuyau de colonne montante fixé au portique situé sur le fond marin, de glisser librement axi'alement, en fonction des mouvements du bateau, par rapport au tuyau de colonne montante fixé au portique situé sur le fond marin et à l'autre raccord accouplé avec le tuyau de colonne montante Par conséquent, le joint flexible peut relier en ligne droite un tuyau de colonne montante, fixé à un portique situé sur le fond marin, à un tuyau de colonne montante fixé sur le bateau Le joint télescopique est donc très indiqué pour permettre le nettoyage de tuyaux pour le tubage au moyen d'un câble métallique ou d'un outil de pompage descendant En outre, l'air chassé hors du joint ou l'air à introduire dans le joint lors de mouvements glissants des raccords peut être chassé ou introduit grâce aux mouvements conjugués des vérins pneumatiques et l'huile de travail qui peut fuir des tuyaux pour le tubage ou analogues peut être retenue dans les vérins pneumatiques Par conséquent, le joint télescopique suivant la présente invention supprime le risque de voir de l'huile fuir continuellement vers l'extérieur et est apte à maintenir un état de coulissement extrêmement doux sans application de forces susceptibles de gauchir ou de soumettre à des tractions les tuyaux de colonne montante inférieurs fixés au portique De plus, le joint télescopique suivant la présente invention est apte à éviter que les raccords fileté et taraudé ne s'échappent l'un de l'autre parce qu'il est réalisé de façon que toute traction appliquée aux raccords du fait de la pression exercée par le pétrole brut au niveau des passages de communication avec les tuyaux pour le tubage soit équilibrée par les vérins hydrauliques. REVENDICATIONS 1 Joint télescopique de colonne montante destiné à relier un tuyau de colonne montante, fixé à un portique de fond marin et muni intérieurement d'une série de tuyaux pour le tubage, avec liberté de coulissement suivant son axe, à un tuyau de colonne montante fermement fixé à un bateau, caractérisé en ce qu'il comprend: - un raccord taraudé ( 10) et un raccord fileté ( 15) réunis l'un à l'autre avec emboîtement du second sur le premier et tous deux susceptibles de coulisser axialement, un tronçon de nez ( 20) emboîté à coulissement dans un alésage ( 21) de réception de tronçon de nez communiquant avec des passages pour le tubage ( 12) ménagés dans le raccord taraudé ( 10) et définissant un alésage de communication ( 19) qui communique avec des passages pour le tubage ( 18) prévus de manière fixe dans le raccord fileté ( 15) en des parties radialement intérieures de celui-ci; et des vérins pneumatiques ( 22) montés fixes sur la paroi extérieure de l'un des raccords de façon à être parallèles à l'axe central de ce raccord et symétriques par rapport à cet axe central, l'aire transversale efficace totale desdits vérins pneumatiques étant égale à l'aire transversale efficace des tronçons emboîtés des raccords taraudé ( 10) et fileté ( 15), les compartiments d'air ( 25) desdits vérins communiquant avec un espace à volume variable ( 28) des tronçons emboîtés des raccords taraudé et fileté, et les extrémités distales des tiges de piston ( 23) desdits vérins pneumatiques étant fermement fixées à l'autre raccord. 2 Joint télescopique selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend, en outre, des vérins hydrauliques ( 29) montés fixes sur la paroi extérieure de l'un des raccords de façon à être parallèles à l'axe central de ce raccord et symétriques par rapport à cet axe central, l'aire transversale efficace totale desdits vérins hyrauliques étant égale à l'aire transversale efficace totale du tronçon de nez ( 20), les compartiments d'huile ( 32) desdits vérins hydrauliques communiquant avec les passages pour le tubage de l'un des raccords, et les extrémités distales des tiges de piston ( 30) desdits vérins hydrauliques étant fermement fixées à l'autre raccord.