Brevet FR2622247A1 — publié le 19890428

La présente invention concerne un dispositif pour assurer de manière simple et précise la mise en tension d'un corps cylindrique tel qu'une tige ou un tubage, qui peut s'allonger élastiquement lorsqu'on lui fait subir un effort de traction. Bien que l'application qui sera décrite ci-après concerne essentiellement la mise en tension de tuba- ge pour forage pétrolier, l'invention peut s'appliquer à la mise en tension et au maintien de cette tension pour tout corps susceptible de subir un allongement élastique. La suspension des tubages à la tête de puits, dans une installation de forages pétroliers est généralement réalisée par un mécanisme à coins qui, prenant appui sur une surface conique interne de la tête de puits, comprime forte- ment l'extérieur du tubage pour réaliser la suspension de celui-ci. Dans la plupart des cas l'installation de ce méca- nisme à coin nécessite le démontage du bloc d'obturation de puits (BOP) et l'emploi d'une tête de puits à réceptacles empilés, chacun d'eux étant associé à chaque tubage, et ceci de façon à faciliter la coupe du tubage au-dessus du méca- nisme à coins. Après avoir coupé et chanfreiné le tubage, un élément d'étanchéité est glissé entre l'alésage du récep- tacle de la tête de puits et le tubage afin d'isoler l'espace annulaire existant entre le tubage et la tête de puits. Le développement des têtes de puits sous-marines a fait apparaître des têtes de puits monobloc comprenant un anneau de suspension du tubage. Dans ce cas, le tubage est associé par vissage à un anneau qui comporte un épaulement d'appui sensiblement radial, évitant ainsi la mise en oeuvre d'un mécanisme à coins et supprimant les contraintes de compression annulaires engendrées dans le tubage par ce méca- nisme à coins Un élément d'étanchéité annulaire peut alors être installé à distance entre l'anneau de suspension et l'aLésage de la tête de puits. Le système à anneau de suspen- sion permet en outre d'éviter la déconnection du B.0O.P., celui-ci pouvant alors assurer la protection des opérations de suspension, de cimentation et d'étanchage du tubage. Du fait que le tubage n'a pas à être coupé, Les réceptacles pour chaque dimension de tubage peuvent être associés en une seule pièce pour former une tête de puits monobloc. Cette disposition par anneau de suspension et tête de puits monobloc ne peut pas convenir lorsqu'il faut introduire une tension, après cimentation, dans Le tubage On est alors contraint de revenir au mécanisme à coins de blocage. La présente invention entend remédier à ce recours au mécanisme à coins, en proposant un dispositif de suspension de tubage avec réglage et blocage possibles de la tension introduite dans le tubage, ce dispositif réduisant fortement les contraintes circulaires de compression dans le tubage et évitant la coupe de ce dernier. A cet effet, l'invention a donc pour objet un dispositif de réglage et de blocage de la tension d'un corps cylindrique par rapport à un supportextérieur fixe, constitué par une pluralité de chiens de blocage répartis autour du corps cylindrique, et à débattement radial dans des logements correspondants du support, chaque chien comportant une surface tournée vers le corps cylindrique qui est pourvue de rainures de profil triangulaire coopérant a'vec des rainures semblables ménagées circonférentiellement sur la surface extérieure du corps cylindrique, et une surface tournée vers le fond du logement qui comporte au moins deux portées coniques inversées sus- ceptibles de prendre appui sur des portées ménagées en corres- pondance dans ledit logement, et formant les parois de ce dernier, les chiens étant soumis à un effort élastique de rappel tendant à les maintenir dans une position dans laquel- le leurs rainures intérieures interpénètrent les rainures du corps cylindrique, le demi-angle au sommet de chacune des faces du rainurage intérieur du chien tournées vers le bas étant infé- rieur au demi-angle au sommet de la portée conique extérieure de ce chien, tournée vers le haut, le demi-angle au sommet des autres faces du rainurage étant supérieur au demi-angle au sommet de l'autre portée conique, chacune des différences d'angle susdites étant au moins égale à La somme des arc- tangentes des coefficients de friction du chien sur le corps cyLin- drique et sur le support extérieur. Ainsi, Les inclinaisons relatives susdites sont telles que les résultantes des forces auxquelles est soumis chaque chien, présentent une composante radiale dirigée vers l'extérieur quand le corps cylindrique est actionné axiale- ment dans le sens de son allongement, et dirigée vers l'axe quand le corps cylindrique est soumis à l'effort axial de précontrainte de tension qui a été installé. Dans un mode préféré de réalisation, le demi-angle au sommet de chaque face du rainurage intérieur est égal à 45 tandis que Le demi-angle au sommet de la première portée conique est égal à 70 et le demi-angle au sommet de la seconde Dortée conique est égal à 30 . Dans une variante de ce mode de réalisation, la pluralité des chiens et des organes élastiques de rappel correspondants est en réalité constituée par une bague élas- tique fendue dont le diamètre moyen du rainurage interne correspond au diamètre moyen du rainurage externe du corps cylindrique. Dans ce cas, la profondeur des rainures susdites est de l'ordre de l'accroissement élastique possible du rayon de la bague fendue. Une application importante du dispositif selon l'invention consiste en une tête de suspension pour mise en tension d'un tubage de forage pétrolier, possédant un empi- lement d'anneaux de suspension. C'est ainsi que la tête de puits constitue Ledit support extérieur et le corps cylin- drique est formé par l'empilement des anneaux de suspension du tubage, qui sont rainurés extérieurement, et dont le dernier comporte une bride supérieure sous laquelle est retenue ladite bague fendue au moyen d'une attache frangible sous L'effet d'un effort déterminé, La bague étant alors disposée en regard d'un Logement annulaire ménagé sur Ledit anneau pour pouvoir se contracter Lors de son introduction dans la partie de l'alésage de la tête de puits située au- dessus du Logement ménagé dans la tête de puits. De manière avantageuse, Le Logement annulaire réaLisé dans l'anneau de suspension supérieur, est divisé par une cloison circuLaire intérieure perpendiculaire à l'axe du tubage, qui avec un bord inférieur du Logement, comporte une portée cylindrique de diamètre égaL à celui mesuré en fond de rainures pour celles ménagées dans les anneaux de suspension, et à ceLui mesuré en crête de rainu- res pour celles portées par La bague fendue lorsque celle- ci est dans sa position de repos. La tête de suspension selon l'invention possède également un second logement annulaire ménagé sur un anneau de suspension inférieur pour qu'en cas de remontée du tubage, à-----la bague fendue puisse à nouveau se contracter radialement et ainsi se dégager du logement de la tête de puits et remonter avec le tubage dans l'alésage de cette tête de puits. Enfin, la bague fendue comporte une double paire d'appuis coniques inversés, le logement de la bague dans la tête de puits présentant également une double paire d'appuis correspondante, et la partie de l'alésage de la tête de puits située au-dessus de ce logement comporte des rainures pour la mise en place d'un joint d'étanchéité métallique au-dessus de la bague fendue. L'invention sera mieux comprise au cours de la description donnée ci-après, à titre d'exemple purement indicatif et non limitatif qui permettra d'en dégager les avantages et les caractéristiques secondaires. Il sera fait référence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures 1A et lB sont des schémas illus- trant Les moyens essentiels de l'invention; - les figures 2 à 6 illustrent par des vues en coupe axiale les différentes séquences de La mise en pla- ce du dispositif selon l'invention appliqué à une tête de puits de forage pétrolier; - la figure 7 illustrelpar une vueencoupe axiale, à gauche une tête de puits supportant un tubage pendant la cimentation de ce dernieret à droite supportant le tubage mis en tension après cimentation et pourvu d'un joint d'étan- chéité. Sur Les figures lA et lB, on voit par une demi- coupe axiale un corps cylindrique 1 d'axe la logé dans un alésage 2a d'un support fixe 2 coaxial au corps 1, et retenu dans ce support par une pièce intermédiaire 3. Le corps cylindrique 1 possède des rainures péri- phériques 5a, 5b..., dont chacune d'elles possède un flanc supérieur conique 6a et un flanc inférieur conique 6b, donc de profil triangulaire chacun ayant un demi-angle au sommet 7a,7b de 450 . Le support 2 est équipé quant à lui d'un loge- ment annulaire 8 délimité par une surface supérieure conique 9 et une surface inférieure conique 10, le demi-angle au sommet 4a de la surface 9 tournée vers le bas étant de 70 , le demi-angle au sommet 4b de La surface 10 tournée vers le haut étant de 300. Ltélément intermédiaire 3 est délimité par une surface cylindrique intérieure 11 possédant des rainures 11a, 11b..., formant un rainurage capable de coopérer avec le rainurage 5a, 5b du corps 1, et par une surface extérieure 12 constituée par deux portées coniques 13 et 14 dont le profil est identique au profil du logement 8. L'épaisseur radiale de l'élément intermédiaire 3 et la profondeur du logement 8 sont telles que lorsque l'on déplace radialement l'élément 3 à l'intérieur du logement 8, le rainurage 11a, 11b.... n'est plus en prise avec le rainurage a, 5b de la pièce 1. Par ailleurs, ces dimensions sont telles que lorsque le rainurage 11a, 11b est en prise avec le rainurage 5a, 5b, la pièce 3 ne peut pas échapper axia- lement au logement 8. La pièce intermédiaire 3 peut être constituée par une bague fendue, disposée dans le logement 8 avec un jeu radial permettant un accroissement de son rayon extérieur correspondant à la profondeur des rainurages 5a, 5b, 11a, 11b. Le diamètre moyen du rainurage de la bague est, à l'état libre, égal au diamètre moyen du rainurage du corps 1. On comprend donc que les variations de diamètre de la bague 3 se font à l'encontre de son élasticité qui tend à la ramener dans sa position de repos. En variante d'une bague fendue, le corps 3 peut être constitué par une pluralité de chiens radiaux dispo- sés dans des logements également répartis dans un même plan du support et soumis à l'action d'organes élastiques de rappel radiaux des chiens dans leur position de repos corres- pondant à la coïncidence du diamètre moyen de leur rainurage avec celui du rainurage du corps cylindrique 1. On notera à ce propos que dans la variante de réalisation de la pièce intermédiaire 3 sous la forme de chiens, le corps 1 peut être polygonal en section, la surface intérieure de chacun des chiens, qui est rainurée, étant sensiblement plane et cor- respondant aux côtés du polygone de la section du corps 1. Revenant aux figures 1A et lB, on voit que lors- que l'on tire axialement selon la direction A sur le corps central 1, le support 2 étant supposé fixe, on crée un ensemble de forces sur la pièce 3 schématisée par la flèche Fl. La direction de cette force est comprise entre la direc- tion A et la perpendiculaire à la face 6b du rainurage de la pièce 1, plutôt au voisinage de cette perpendiculaire, compte tenu de la friction existant entre deux pièces 1 et 3 (de l'ordre de 0,1 pour les surfaces métalliques lubri- fiées). La réaction du support 2 sur La pièce 3 se traduit par un ensemble de forces symbolisées en F2 dont La direction est comprise entre La perpendiculaire aux surfa- ces 9, 13 en contact, et pLutôt proche de cette perpendicu- Laire compte tenu de La friction entre ces surfaces, et la direction axiale. La force F1 est dirigée vers Le haut, tandis que la force F2 est dirigée vers le bas Compte tenu des valeurs des pentes des faces 6b et 9,13, et d'un coef- ficient dé frottement supposé égaL à 0,1 sur chacune des surfaces en contact (correspondant à un écart des forces F1 et F2 par rapport aux perpendiculaires aux faces sur les- quelles elles s'appliquent de l'ordre de 5 1/2) les direc- tions des forces F1 et F2 forment entre eLLes un angle d'en- viron 14 à 15 . Comme en outre, c'est la force F1 qui est la plus inclinée sur La direction axiale, la résultante de ces forces est une force radiale R1 dirigée à l'opposé de l'axe la. L'élément 3 est donc soumis à une force qui tend à L'ouvrir lorsqu'iL s'agit d'une bague fendue, ou à le faire pénétrer à L'intérieur de son Logement contre L'organe de rappeL, lorsqu'il s'agit de chien. L'éLément 3 peut donc s'écarter pour Laisser s'éLever Le corps central 1. A L'inverse, comme Le montre La figure 1B, si L'élément 1 est soumis à un effort B dirigé vers Le bas, cor- respondant à La tension instaLLée dans cet éLémentou à son poids, La pièce 3 subit des efforts représentés par F3, F4, F3 étant dirigée vers Le bas et vers L'extérieur incLinée d'environ 40 -sur L'axe la (compte tenu des vaLeurs numériques des angles des coefficients de frottement ci- dessus exposées), F4 étant une force dirigée vers L'intérieur et vers Le haut et incLi- née sur L'axe la d'un angle d'environ 65 , pour Les mêmes raisons de valeurs numériques; IL s'ensuit que La résultante R2 de ces forces est horizontaLe dirigée vers L'axe la, ten- dant donc à enserrer Le corps 1, interdisant ainsi toute descente de celui-ci. On notera que l'intensité desdites résultantes horizontales R1 dirigée vers l'extérieur, ou R2, dirigée vers l'axe, est relativement faible et notamment pour celle R2 dirigée vers l'axe (cas de la figure lb), à laquelle cependant s'ajoute la réaction élastique de la bague ou de l'organe de rappel du chien 3. La contrainte de compression circulaire engendrée par R2 est donc réduite. Les valeurs numériques données dans L'exemple ci-dessus constituent un mode préféré de réalisation de l'in- vention, mais cette dernière peut englober d'autres valeurs qui dépendront notamment des coefficients de friction ou de glissement, donc des matériaux en contact, ainsi que des caractéristiques mécaniques requises pour L'accouplement. On notera par exemple, que le nombre de rainures axialement adjacentes successives et le nombre de logements dans le support, sera fonction des efforts à encaisser et des caracté- ristiques de résistance au cisaillement des matériaux employés. Les figures 2 à 7 illustrent une application du dispositif selon l'invention décrit de manière schématique aux figures 1A et lB, et à la suspension d'un tubage dans une tête de puits de forage pétrolier. Le tubage 21 est équipé de manière connue d'un empilement d'anneaux de suspen- sion 22a, 22b, 22c, 22d vissés les uns dans les autres et pourvus extérieurement du rainurage 5 comme décrit en regard des figures précédentes. L'outil 23 de mise en place du tubage est solidaire de l'anneau de suspension supérieur 22d de pose du tubage dans l'alésage 24a de la tête de puits 24. L'anneau supérieur 22d de pose de la suspension possède un logement 25, divisé en deux parties superposées 25a, 25b par un cloisonnement annulaire 26. Il possède également au-dessus de ce logement 25 une bride 27 pourvue d'orifices en lumière sensiblement radiale 27a au travers desquels est fixée une vis de cisaillement 28 susceptible d'être rompue au-deLà d'un certain effort de traction. La vis 28 est vissée dans une bague fendue 29 dont la surface intérieure possède un rainurage 11 avec un logement 30 pour le cloisonnement 26 et dont La surface extérieure possède deux portées coniques inversées 13a, 14a et 13b, 14b pour coopérer avec des portées coniques 9a, 10a et 9b, 10b délimitant un Logement annulaire ménagé dans La tête de puits 24. Sur La figure 2, La bague 29 est iLLustrée contrac- tée dans Le Logement 25 de L'anneau de suspension 22d, par L'effet de contention des parois de L'aLésage 24a. Le tubage est représenté en cours de descente à L'intérieur de La tête de puits 24. Lorsque La bague 29 arrive en face du logement défini par Les surfaces coniques 9a, 9b; 10a, 10b de La tête de puits 24, celle-ci se loge partiellement dans ce logement, sous L'effet de son éLasticité propre. La bague 29 atteint sa position "à L'état Libre" et est mainte- nue centrée sur l'axe de l'ensemble au moyen d'une portée interne 27b de La bride 27 qui coopère avec une partie cylin- drique supérieure de La bague (comme représente en figure 3). La figure 4 illustre La phase par laquelle on tire sur l'anneau supérieur 22d au moyen de L'outil 23, dans la direction A pour cisailler Les vis 28. Comme l'extrémité de La cLoison 26, et le bord inférieur du logement 25 présen- tent une portée cylindrique 31a, 31b, dont le diamètre est égal au diamètre sur crête du rainurage 14 de la bague 29 dans sa position de repos, la mise en place de ces portées 31a et 31b devant les rainures 14 interdit à la bague 29 de se contracter à nouveau par l'effet de came que pourraient engendrer sur elle les portées coniques 9a et 9b. La poursuite de la traction vers Le haut du tubage engendre des efforts du type de ceux décrits à la figure 1A, ce qui permet au tubage de remonter le long de La bague 29, la vis 28 ayant été sectionnée au-delà d'un certain effort de traction. Cette séquence est représentée aux figu- res 5 et 6, la figure 5 montrant La position de la bague 29 lorsque les crêtes des rainurages sont en regard les unes 1 0 des autres, la figure 6 montrant La position de La bague 29 Lorsque cette dernière est dans sa position de repos, c'est-à-dire interpénétrant Les rainurages des anneaux de suspension 22. Cette opération est poursuivie jusqu'à avoir placé toute la longueur axiale de la bague en regard du rainurage de l'empilement des anneaux de suspension. Sur la partie gauche de la figure 7, le tubage est représenté dans sa position o la cimentation commence. Le tubage est suspendu par la bague 29 qui le retient contre l'effet de la pesanteur comme expliqué en regard de la figure lB. Si l'on a besoin, à ce stade, pour une raison quel- conque, de remonter le tubage dans la tête de puits, on tire sur ce dernier selon la flèche C de manière que la bague 29 parvienne en regard d'un logement inférieur 34 ménagé dans ou sous l'anneau de suspension inférieur 22a. Une poursuite de la traction en C du tubage provoque par le jeu des sur- faces 9a, 9b sur les surfaces 13a, 13b de la bague 29 et l'entraînement de la bague par l'épaulement 35 prévu à la base des anneaux de suspension, une contraction de cette bague dans le logement 34. Elle peut alors être remontée le long de l'alésage 24a de la tête de puits 24. Après cimentation, on procède à une mise en ten- sion du tubage, et la bague 29 est, lorsque la valeur (flè- che B) de la contrainte souhaitée est atteinte, dans une position semblable à celle illustrée par la figure lB pour l'élément intermédiaire 3, et le tubage est maintenu dans cette position telle qu'illustrée par la partie de droite de la figure 7. On remarquera que l'anneau supérieur de sus- pension 22d a été retiré, et on a mis en place entre le rainurage auxiliaire 32 ménagé dans l'alésage de la tête de puits, un joint métallique d'étanchéité 33 connu en lui- même. L'invention trouve une application intéressante dans le domaine du forage pétrolier. REVENDICATIONS 1. Dispositif de réglage et de blocage de la tension d'un corps cylindrique (1,21) par rapport à un sup- port extérieur fixe (2,24) caractérisé en ce qu'il est cons- titué par une pluralité de chiens (3) de blocage répartis autour du corps cylindrique (1), à débattement radial dans des logements (8) correspondant de supports (2), chaque chien (3) comportant une surface (11) tournée vers le corps cylindrique (1) et pourvue de rainures C(11a, llb) de section triangulaire coopérant avec des rainures semblables (5a, 5b) ménagées cir- conférentiellement sur la surface extérieure du corps cylin- drique (1) et une surface (12) tournée vers le fond du loge- ment (8) qui comporte au moins deux portées coniques inver- sées (13,14) susceptibles de prendre appui sur des portées (9,10) ménagées en correspondance dans ledit logement et for- mant les flancs de ce dernier, les chiens (3) étant soumis à un effort élastique de rappel tendant à les maintenir dans une position dans laquelle leurs rainures intérieures (11a,11b) interpénètrent les rainures (5a,5b) du corps cylindrique (1), le demi-angle au sommet (7b) de chacune des faces des rainures (11a, 11b) intérieures du chien (3) tournées vers le bas étant infé- rieur au demi-angle au sommet (4a) de la portée conique (13) extérieure de ce chien (3) tournée vers le haut, le demi-angle au sommet (7a) des autres faces du rainurage (11) étant supé- rieur au demi-angle au sommet (4b) de l'autre portée conique (10). 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que chacune des différences susdites (4a-7b; 7a-4b) est au moins égale à la somme des arc-tangentes des coeffi- cients de friction du chien (3) sur le corps cylindrique (1) et le support extérieur (2). 3. Dispositif selon la revendication2 caractérisé en ce que le demi-angle au sommet de chacune des faces (11a,11b) du rainurage est de 45 . 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que le demi-angle au sommet de la première portée coni- que (13) est de 700. 5. Dispositif selon La revendication 3, carac- térisé en ce que le demi-angle au sommet de La seconde portée conique (14) est de 30 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pluralité de chiens (3) susdite et les organes élastiques de rappel correspon- dants sont constitués par une bague (29) et fendue. 7. Dispositif selon la revendication 6 carac- térisé en ce que la profondeur des rainures (5a, 5b, 1'1) susdites est de l'ordre de l'accroissement élastique pos- sible du rayon de La bague fendue (29). 8. Tête de suspension pour mise en tension d'un tubage (24) possédant des anneaux de suspension (22a, 22d) faisant application du dispositif selon l'une quelcon- que des revendications 6 et 7, dans laquelle le support extérieur est constitué par une tête de puits (24) pétrolier et le corps cylindrique est constitué par les anneaux (22a, 22d) de suspension du tubage (21), rainurés extérieu- rement, caractérisée en ce que le dernier anneau (22d) de suspension comporte une bride supérieure (27) sous Laquelle est retenue la bague fendue (29) au moyen d'une attache (28) frangible sous l'effet d'un effort de traction déterminé, ladite bague (29) étant alors disposée en regard d'un loge- ment annulaire (25) ménagé sur ledit anneau (22d) pour pou- voir se contracter lors de son introduction dans la partie de l'alésage (24a) de la tête de puits (24), au-dessus du logement délimité par les portées coniques inversées (9a, 9b, 10a, 10b). 9. Tête de suspension selon la revendication 8 caractérisée en ce que le logement annulaire (25) est divisé par une cloison (26) circulaire intérieure perpendiculaire à l'axe du tubage qui, avec un bord inférieur du logement (25), comporte une portée cylindrique (31a 31b) de diamètre égal à celui mesuré en fond de rainures, pour celles ména- gées dans les anneaux de suspension (22a, 22d), et mesuré en crête pour Les rainures de La bague (29) fendue Lors- que celle-ci est dans sa position de repos. 10. Tête de suspension selon L'une queLconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce qu'un second Logement annuLaire (34) est prévu sur un anneau (22a) de suspension inférieur pour Loger la bague fendue (29) Lorsque Le tubage est remonté. 11. Tête de suspension selon L'une queLconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que La bague fendue (29) comporte une double paires d'appuis coniques (13a, 14a, 13b, 14b) inversés, en ce que Le logement de La bague dans La tête de puits (24) présente également une double paires d'appuis correspondantes (9a, 10a, 9b,10b), et en ce que la partie de l'aLésage (24a) située au-dessus de ce logement comporte des rainures (32) pour la mise en place d'un joint d'étanchéité (33) métallique au-dessus de la bague fendue (29).