Brevet FR2620783A1 — publié le 19890324

La présente invention concerne un appareil destiné à empêcher les fuites entre un tubage et une tête de tubage, et plus précisément elle concerne un joint d'étanchéité qui augmente la pression à l'intérieur du joint du tubage afin qu'il augmente l'effet d'étanchéité. Les puits de pétrole brut et de gaz naturel forés au large des côtes ont souvent des têtes de puits disposées au fond de l'océan. La tête de puits est normalement installée par montage à l'extrémité supérieure d'une colonne de tubage qui est descendue dans le sondage et qui est cimen- tée en place. La tête de puits a en général la configura- tion d'un cylindre dont le trou est destiné à supporter de manière étanche une colonne interne concentrique de tubage et des dispositifs de suspension de tubage qui sont fixés à la colonne de tubage avant la descente de la colonne et l'application du dispositif de suspension contre un siège à l'intérieur de la tête de puits. Les dispositifs de suspen- sion de tubage sont destinés à être logés et supportés dans la tête de puits. Chaque dispositif de suspension de tubage a un élément de garniture autour de sa périphérie externe, afin qu'un joint étanche et résistant à la pression soit formé entre l'extérieur du tubage et l'intérieur de la tête de puits. Dans de nombreux systèmes actuels de complétion de puits, des éléments annulaires d'étanchéité pour garniture sont placés entre la tête du puits et chaque tubage afin qu'un joint étanche à la pression soit formé entre eux. Il est important que du gaz, de l'eau et d'autres fluides qui peuvent être chassés dans certains des tubages ne puissent pas pénétrer dans le tubage interne et que des fuites provenant du tubage interne ne puissent pas pénétrer dans les tubages externes. Chacun des joints formant garniture peut être réalisé afin qu'il supporte la pression maximale du pétrole puisque les pressions anormales sont maitrisées par fermeture d'un obturateur anti-éruption placé au-dessus de la tête de puits, et ceci provoque l'application d'une pression élevée aux divers joints. Certains des joints de la technique antérieure com- portent un matériau élastomère qui est comprimé par une pression élevée exerçée contre le matériau élastomère. Cette pression élevée repousse le matériau élastomère con- tre le tubage et contre la tête de puits et assure la formation d'un joint entre le tubage et la tête de puits. Cette pression peut provoquer l'expulsion de gaz dans le matériau élastomère. Toute réduction ultérieure de la pres- sion permet au gaz de s'échapper rapidement du matériau et provoque un déchiquetage et une destruction du matériau si bien que le joint présente une défaillance. La présente invention concerne un joint pour tubage qui peut être utilisé avec des fluides à pression élevée sans déchiquetage de la partie élastomère du joint lorsque des pressions élevées sont dissipées. Le joint du tubage comporte un premier anneau métallique ayant une section de forme générale en T, la tige du T ayant une orientation générale verticale et la barre transversale du T ayant une orientation générale horizontale. Le premier anneau métal- lique est destiné à être monté entre un tubage annulaire et une tête de tubage, la partie de tige du T étant parallèle de façon générale à un tubage placé verticalement. Un premier et un second anneau élastomère sont montés près de la tige du T, le premier anneau élastomère étant placé entre le tubage et la partie de tige du T et le second anneau élastomère étant placé entre la tête de tubage et la partie de tige du T. Un second anneau métallique est placé entre le tubage et la partie de tige du premier anneau métallique, au-dessous du premier anneau élastomère. Un troisième anneau métallique est monté entre la tête de tubage et la tige du premier anneau métallique, au-dessous du second anneau élastomère. Un support annulaire est dis- posé sous le second et le troisième anneau métallique afin qu'il supporte le joint du tubage lorsqu'une pression des- cendante appliquée à la barre transversale du premier an- neau métallique comprime le premier anneau élastomère entre le premier anneau métallique et le second anneau métallique et provoque une expansion du premier anneau élastomère contre le tubage, et la pression descendante comprime aussi le second anneau élastomère entre le premier anneau métal- lique et le troisième anneau métallique afin que le second anneau élastomère subisse une expansion contre la tête du tubage. La barre transversale empêche la descente des gaz dans le matériau élastomère et empêche le déchiquetage du matériau lorsque la pression est brutalement réduite. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique partielle centrale d'un tubage de puits et d'une tête de tubage dans lesquels le joint de tubage selon l'invention peut être utilisé; la figure 2 est un agrandissement d'une partie de la figure 1, après enlèvement du tubage; la figure 3 est une perspective partielle agrandie du joint de tubage selon l'invention; et la figure 4 est une coupe du joint de tubage selon l'invention. On se réfère maintenant aux dessins; la figure 1 représente une coupe d'une partie d'une tête annulaire 10 de tubage ayant une partie supérieure 11 et une partie inférieure 12. Les parties 11 et 12 sont interconnectées par plusieurs boulons 16 (un seul étant représenté) et plusieurs écrous 17. La tête 10 de tubage a un trou axial 18 ayant un flasque 22 dépassant vers l'intérieur, dans sa partie supérieure. Un anneau 23 de guidage de trépan, ayant un flasque 24 qui dépasse vers l'intérieur, est monté dans le trou 18, au-dessous du flasque 22. Un tubage annulaire 28 est monté dans l'anneau 23 de guidage, une extrémité supérieure 29 étant adjacente au flasque 24 de l'anneau 23 de guidage. Un écrou 30 de retenue est vissé dans le trou 18 à l'extrémité inférieure d'une partie supérieure 11 de la tête 10 de tubage afin que le joint 34 de tubage selon l'invention soit supporté. Le joint 34 est monté au-dessus de l'écrou 30, dans un espace 35 compris entre une paroi externe 36 du tubage 28 et une paroi interne 37 de la tête de tubage. Une garniture annulaire 41 montée dans deux gorges 42, 43 assure l'étanchéité entre les parties supé- rieure et inférieure 11, 12 de la tête 10 de tubage. Un canal 47 d'essais, disposé entre l'extrémité inférieure du joint 34 de tubage et la partie externe de la tête 10, peut être utilisé pour la vérification des fuites à partir du trou 18. Un bouchon 48 de purge du canal d'essais, vissé dans ce canal 47, forme un joint lorsque la vérification des fuites n'est pas en cours. Le joint 34 de tubage (figures 3, 4) comporte un anneau métallique 49 ayant une forme générale en T compre- nant une tige 53 montée afin qu'elle soit parallèle de façon générale aux parois verticales 36, 37 (figures 1, 4) du tubage 28 et de la tête 10. Une barre transversale 54 de l'anneau 49, ayant deux surfaces inclinées 55, 56 à la face inférieure de la barre 54, est placée perpendiculairement à la tige 53. Deux anneaux élastomères 60, 61 sont montés près de la partie de tige 53 afin qu'un joint soit formé entre le tubage 28 et l'anneau 49 et entre la tête 10 et l'anneau 49. Deux anneaux métalliques 62, 63 sont montés de part et d'autre de la tige 53 et sont supportés par l'écrou de retenue. Lorsque des fluides et/ou des gaz sous pression élevée sont présents dans le trou 18 (figures 1, 2), cer- tains de ces fluides et gaz circulent dans un espace 67 compris entre l'anneau 23 de guidage et la paroi 37 de la tête 10 de tubage. Ces fluides et gaz sont à une pression telle qu'une force descendante agit sur une partie supé- rieure 54a de la barre transversale 54 (figures 2, 4) si bien que cette barre 54 est chassée vers le bas contre les anneaux élastomères 60, 61. Comme la surface de la face supérieure 54a est supérieure à celle des surfaces incli- nées 55, 56, la force exercée par unité de surface sur les anneaux élastomères 60, 61 est supérieure à la force des- cendante appliquée par unité de surface à la partie supé- rieure de la barre 54. Cette différence peut provoquer une extrusion du matériau des anneaux 60, 61 dans un espace 68 formé entre la paroi 36 et la barre 54 et dans un espace 69 formé entre la paroi 37 et la barre 54. Deux anneaux 73, 74 en forme de coin, résistant à l'extrusion, se déplacent le long des surfaces inclinées 55, 56 afin qu'ils viennent en contact intime avec les parois 36, 37 étant donné la force ascendante exercée par les anneaux élastomères 60, 61. Ceci empêche le déplacement du matériau élastomère des anneaux 60, 61 vers les espaces 68, 69. La plus grande force appli- quée par unité de surface aux anneaux élastomères 60, 61 donne dans l'élastomère une contrainte supérieure à la force appliquée à l'extrémité supérieure du joint 34 et empêche donc la diffusion du gaz dans l'élastomère. Ceci empêche le déchiquetage de l'élastomère lorsque la pression dans le trou 18 est brutalement réduite. Plusieurs anneaux en forme de coin 78-81 résistant à l'extrusion (figure 4) empêchent le déplacement vers le bas du matériau élastomère des anneaux 60, 61. Une force des- cendante appliquée par l'anneau élastomère 60 provoque le glissement d'une surface inférieure 78a d'un anneau 78 résistant à l'extrusion sur une surface supérieure 80a d'un anneau 80 résistant à l'extrusion si bien que l'anneau 78 exerce une forte pression contre la paroi 36 et l'anneau 80 vient en contact intime avec la tige 53 de l'anneau 49. Ceci empêche l'expulsion du matériau élastomère dans un espace 85 compris entre l'anneau 62 et la paroi 36 et dans un espace (non représenté) qui peut se former entre l'an- neau 62 et la tige 53 de l'anneau 49. La force exercée vers le bas par l'anneau élastomère 61 provoque un déplacement de l'anneau 79 résistant à l'extrusion contre la tige 53 et un déplacement de l'anneau 81 résistant à l'extrusion con- tre la paroi 37 de la tête 10 du tubage. Ceci empêche l'expulsion du matériau élastomère dans un espace 86 com- pris entre l'anneau 63 et la paroi 37 et dans un espace quelconque (non représenté) qui peut se former entre l'an- neau 63 et la tige 53 de l'anneau 49. La pression agissant sur la barre transversale 54 (figures i à 4) provoque une compression de l'anneau élas- tomère 60 entre les anneaux 78, 80, la barre 54 et l'anneau 73. L'anneau comprimé 60 est appliqué contre la paroi 36 du tube 28 et contre la tige 53 de l'anneau 49 et forme un joint étanche. La pression agissant sur la barre transver- sale 54 provoque aussi la compression de l'anneau élasto- mère 61 entre les anneaux 79, 81, la barre transversale 54 et l'anneau 74. L'anneau comprimé 61 forme un joint étanche entre la paroi 37 de la tête 10 du tubage et la tige 53 de l'anneau 49. La présente invention concerne un joint de tubage qui peut supporter une pression élevée et des pressions de soulèvement et d'abaissement dans un tubage, sans détério- ration du joint. La multiplication de la pression régnant dans le trou du tubage empêche la diffusion des gaz dans une partie élastomère du joint et provoque la formation d'un joint étanche par la partie-élastomère du joint de tubage. Plusieurs anneaux en forme de coin, résistant à l'extrusion, adjacents à la partie élastomère du joint, empêchent le déplacement de l'élastomère vers des espaces qui peuvent être adjacents au joint de tubage. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux joints qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Joint de tubage destiné à être utilisé avec une source de fluide à pression élevée et destiné à assurer l'étanchéité contre une pression élevée entre un tubage annulaire et une tête annulaire de tubage, le joint étant caractérisé en ce qu'il comprend: un premier anneau métallique (49) ayant une section de forme générale en T, ce premier anneau métallique étant disposé de manière que la tige (53) du T ait une orienta- tion générale verticale et qu'une barre transversale (54) du T ait une orientation générale horizontale, transversa- lement à la partie supérieure de la tige verticale, un premier et un second anneau élastomères (60, 61) qui sont montés près de la tige de l'anneau métallique, le premier anneau élastomère (60) étant monté entre le tubage (58) et la tige du premier anneau métallique près de la barre et le second anneau élastomère (61) étant monté entre la tête de tubage (10) et la tige du premier anneau métal- lique près de la barre, un second et un troisième anneau métallique (62, 63), le second anneau métallique étant monté entre le tubage et la tige du premier anneau métallique au-dessous du premier anneau élastomère, le troisième anneau métalli- que étant monté entre la tête du tubage et la tige du premier anneau métallique, au-dessus du second anneau élastomère, et un support annulaire (30) placé sous le second et le troisième anneau métallique et destiné à supporter le joint de tubage, une force descendante appliquée à la face trans- versale du premier anneau métallique comprimant le premier anneau élastomère entre le premier anneau métallique et le second anneau métallique afin que le premier anneau élasto- mère subisse une expansion contre le tubage, et la force descendante comprimant le second anneau élastomère entre le premier anneau métallique et le troisième anneau métallique afin que le second anneau élastomère présente une expansion contre la tête du tubage. 2. Joint de tubage selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend un premier dispositif (73) résistant à l'extrusion, monté entre le premier anneau élastomère (60) et la barre transversale (54) du premier anneau métallique, un second dispositif (74) résistant à l'extrusion, monté entre le second anneau élastomère (61) et la barre transversale (54) du premier anneau métallique, un dispositif (55) destiné à rappeler le premier dispositif résistant à l'extrusion contre le tube en empêchant le passage du matériau du premier anneau élastomère dans un espace formé entre le tubage et la barre transversale du premier anneau métallique, et un dispositif (56) destiné à rappeler le second dispositif résistant à l'extrusion con- tre la tête de tube afin que le matériau du second anneau élastomère ne puisse pas passer dans un espace qui peut être formé entre la tête de tubage et la barre du premier anneau métallique. 3. Joint de tubage selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la surface supérieure (54a) de la barre du premier anneau métallique est supérieure à la surface infé- rieure (55, 56) de la barre du premier anneau métallique, la surface inférieure étant au contact du premier et du second anneau élastomère (60, 61) afin que la force exercée par unité de surface sur les anneaux élastomères par la barre transversale soit supérieure à la force exercée par unité de surface à la surface supérieure de la barre du premier anneau métallique. 4. Joint de tubage destiné à être utilisé avec une source de fluide à pression élevée et destiné à assurer l'étanchéité contre une pression élevée entre un tubage annulaire et une tête annulaire de tubage, le joint étant caractérisé en ce qu'il comprend: un premier anneau métallique (49) ayant une section de forme générale en T, ce premier anneau métallique étant disposé de manière que la tige (53) du T ait une orienta- tion générale verticale et qu'une barre transversale (54) du T ait une orientation générale horizontale, transversa- lement à la partie supérieure de la tige verticale, un premier et un second anneau élastomères (60, 61) qui sont montés près de la tige de l'anneau métallique, le premier anneau élastomère (60) étant monté entre le tubage (58) et la tige du premier anneau métallique près de la barre et le second anneau élastomère-(61) étant monté entre la tête de tubage (10) et la tige du premier anneau métal- lique près de la barre, un second et un troisième anneau métallique (62, 63), le second anneau métallique étant monté entre le tubage et la tige du premier anneau métallique au-dessous du premier anneau élastomère, le troisième anneau métalli- que étant monté entre la tête du tubage et la tige du premier anneau métallique, au-dessus du second anneau élastomère, et un support annulaire (30) placé sous le second et le troisième anneau métallique et destiné à supporter le joint de tubage, une force descendante appliquée à la face trans- versale du premier anneau métallique comprimant le premier anneau élastomère entre le premier anneau métallique et le second anneau métallique afin que le premier anneau élasto- mère subisse une expansion contre le tubage, et la force descendante comprimant le second anneau élastomère entre le premier anneau métallique et le troisième anneau métallique afin que le second anneau élastomère présente une expansion contre la tète du tubage, la barre (54) du premier anneau métallique ayant une surface supérieure (54a) exposée à une pression exerçant une force descendante, et une surface inférieure (55, 56) adjacente au premier et au second anneau élastomère (60, 61), la surface de la face supérieu- re de la barre étant supérieure à celle de la face infé- rieure de manière que la face inférieure exerce sur le premier et le second anneau élastomère une force supérieure à la force appliquée par unité de surface à la face supé- rieure de la barre. 5. Joint de tubage selon la revendication 4, carac- térisé en ce qu'il comprend un premier dispositif (73) résistant à l'extrusion, monté entre le premier anneau élastomère (60) et la barre transversale (54) du premier anneau métallique, un second dispositif (74) résistant à l'extrusion, monté entre le second anneau élastomère (61) et la barre transversale (54) du premier anneau métallique, un dispositif (55) destiné à rappeler le premier dispositif résistant à l'extrusion contre le tube en empêchant le passage du matériau du premier anneau élastomère dans un espace formé entre le tubage et la barre transversale du premier anneau métallique, et un dispositif (56) destiné à rappeler le second dispositif résistant à l'extrusion con- tre la tête de tube afin que le matériau du second anneau élastomère ne puisse pas passer dans un espace qui peut être formé entre la tête de tubage et la barre du premier anneau métallique. 6. Joint de tubage selon la revendication 4, carac- térisé en ce qu'il comprend un premier et un second anneau en forme de coin (73, 74) résistant à l'extrusion, le premier anneau (73) résistant à l'extrusion étant monté entre le premier anneau élastomère (60) et la barre trans- versale du premier anneau métallique, la surface inférieure (55) de la barre transversale étant inclinée de manière que le premier anneau résistant à l'extrusion exerce une force contre le tubage lorsqu'une force descendante due à une pression est appliquée à la face supérieure de la barre, le premier anneau résistant à l'extrusion empêchant l'expul- sion d'une partie du premier anneau élastomère dans une zone comprise entre le tubage et la barre transversale du premier anneau métallique, le second anneau (74) résistant à l'extrusion étant monté entre le second anneau élastomère (61) et la barre transversale du premier anneau métallique, la surface inférieure (56) de la barre transversale étant inclinée de manière que le second anneau résistant à l'ex- trusion soit appliqué contre la tête du tubage lorsqu'une force descendante due à une pression est appliquée à la face supérieure de la barre transversale, le second anneau résistant à l'extrusion empêchant l'expulsion d'une partie 1l du second anneau élastomère vers une zone comprise entre la tête de tubage et la barre transversale du premier anneau métallique. 7. Joint de tubage selon la revendication 4, carac- térisé en ce qu'il comprend un troisième, un quatrième, un cinquième et un sixième anneau en forme de coin (78-81) résistant à l'extrusion, le troisième et le quatrième an- neau '78, 80) résistant à l'extrusion étant montés entre le premier anneau élastomère (60) et le second anneau métalli- que (62), la forme en coin étant telle que le troisième et le quatrième anneau résistant à l'extrusion se déplacent l'un par rapport à l'autre lorsqu'une pression est appli- quée si bien que le troisième anneau résistant à l'extru- sion est appliqué contre le tubage et le quatrième anneau résistant à l'extrusion est appliqué contre la tige du premier anneau métallique lorsqu'une force descendante est appliquée à la face supérieure de la barre transversale, le cinquième et le sixième anneau (79, 81) résistant à l'ex- trusion étant montés entre le second anneau élastomère (61) et le troisième anneau métallique (63), la forme en coin étant telle que le cinquième et le sixième anneau se dépla- cent l'un par rapport à l'autre lorsqu'une pression est appliquée si bien que le cinquième anneau résistant à l'extrusion est appliqué contre la tube de tubage et le sixième anneau résistant à l'extrusion est appliqué contre la tige du premier anneau métallique lorsqu'une force des- cendante est appliquée à la face supérieure de la barre transversale.