Brevet FR2630775A1 — publié le 19891103

263077S La présente invention concerne des ensembles de support de tubages de puits et plus précisément des en- sembles de suspension de colonnes de tubage à l'aide de dispositifs de suspension, dans les têtes de puits sous- marins. La plupart des ensembles de suspension de tubages de puits sousmarins actuellement utilisés ou connus dans l'industrie du pétrole comportent un empilement de disposi- tifs emboîtés de suspension de tubage, ayant des dimensions de plus en plus petites et placés à la partie supérieure d'un dispositif de suspension placé antérieurement et ainsi supporté par ce dispositif, si bien que la charge totale suspendue de tous les tubages et des dispositifs de suspen- sion, en plus des pressions d'exploitation régnant dans le puits et auxquelles les colonnes et les dispositifs de suspension sont soumis, est transférée à la tête de puits à un seul emplacement proche de sa base. Dans cette indus- - trie, des ensembles de suspension de tubages, capables de supporter les charges suspendues et les pressions d'exploi- tation qui dépassent de beaucoup celles pour lesquelles les ensembles empilés connus ont été réalisés, sont donc de plus en plus nécessaires, et on a récemment proposé quelques réalisations ayant des performances accrues. Cependant, la plupart de ces réalisations provoque l'appli- cation de la totalité ou de la presque totalité de la charge de la suspension de tubages et de la charge due aux pressions, par transmission de la charge, à un épaulement de support de dispositifs de suspension, encaissant une charge de compression et disposé à la base de la tête de puits. Cet ensemble empilé limite les possibilités d'en- caissement de charge des dispositifs de suspension dans l'ensemble du système, surtout en cas d'exposition à de l'hydrogène sulfuré qui nécessite l'utilisation d'aciers de résistance mécanique élevée. L'invention concerne de façon générale un ensemble perfectionné de suspension d'un tubage de puits dans une tête de puits sous-marin et plus précisément elle concerne un ensemble de suspension de tubage grâce auquel chacune des colonnes concentriques de tubage et son dispositif de suspension est supportée directement et totalement par le boîtier de la tête de puits, indépendamment des autres colonnes et de leurs dispositifs de suspension, par une bague d'application de charge à plusieurs épaulements et du type d'une bague fendue dilatable qui fait partie d'un ensemble à dispositifs de suspension et qui est placé dans le boîtier de la tête de puits, lorsque le dispositif de, suspension et la colonne de tubage sont descendus. La bague d'application de charge s'écarte radialement depuis sa position resserrée autour du dispositif de suspension par contact avec une garniture annulaire disposée préalablement et non par contact directement avec le boîtier de la tête de puits lui-même, et cet écartement provoque un agrandis- sement radial de la bague qui se loge dans une gorge annu- laire complémentaire formée dans le boîtier. La bague d'application de charge a, en coupe, une configuration inclinée qui empêche la commande intempestive de la bague sous l'action des forces ascendantes ou descen- dantes qui lui sont appliquées lorsque la colonne de tubage et son ensemble à dispositifs de suspension contenant la bague sont descendus dans le sondage au cours de l'instal- lation dans le puits. La configuration géométrique de la bague d'application de charge est telle qu'elle empêche un. contact radial accidentel avec les raccords de colonnes montantes placés autour et/ou d'autres éléments à l'aide desquels l'ensemble à dispositifs de suspension et sa colonne de tubage descendent pendant cette installation et, en fait, la plaque d'application de charge est bloquée en place sur le dispositif de suspension si bien qu'elle ne s'écarte pas radialement par exemple lorsqu'elle est frap- pée accidentellement au cours de la descente. La bague d'application de charge comporte plusieurs épaulements qui sont en appui-contre des épaulements com- plémentaires formés dans la gorge annulaire du boîtier de la tête de puits afin que la charge d'une colonne de tubage et d'un ensemble à dispositif de suspension soit directe- ment transmise au boîtier. La bague est retenue sur l'en- semble à dispositif de suspension afin que, lorsque le dispositif de suspension est convenablement mis en place et la bague est convenablement positionnée sur les épaulements formés dans la gorge du boîtier, aucune charge de disposi- tif de suspension ou de tubage ne soit transférée à des éléments autres que le boîtier, par exemple à un ensemble à garniture antérieurement installé de manière convenable. Dans -le cas très peu probable d'une défaillance locale partielle (déformation) de la zone comprenant la gorge formée dans le boîtier de la tête de puits et la bague d'application de charge, la charge du tubage et de l'en- semble à dispositif de suspension est partiellement trans- mise à l'ensemble voisin à dispositif de suspension et bague d'application de charge placé au-dessous si bien que l'ensemble du système formé par les tubages et les disposi- tifs de suspension ne présentent pas de défaillance. En outre, dans le cas o la bague d'application de charge est montée de façon erronée dans la gorge du boitier de la tête de puits, la bague peut être chassée de la gorge puis remise en position sans qu'il soit nécessaire de remonter l'ensemble au plancher de forage et de le rééquiper, c'est- à-dire que le système peut être réétabli alors qu'il reste dans le boîtier de la tête de puits au fond de la mer. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une perspective, avec des parties arrachées, d'un boîtier de tête de puits sous-marin et de trois colonnes concentriques de tubage, la moitié droite et la partie supérieure de la moitié gauche du boîtier étant représentées en coupe par un plan central afin que les ensembles à dispositifs de suspension de tubage et à bague de charge selon l'invention apparaissent; la figure 2 est une coupe partielle agrandie par un plan vertical central d'un ensemble à dispositif de suspen- sion et à bague d'application de charge selon l'invention, représentant les éléments dans leur position relative avant l'installation dans un puits; la figure 3 est une coupe partielle de la figure 2 à plus grande échelle, représentant la position relative des éléments lorsqu'ils sont convenablement placés dans un boitier de tête de puis qui les entoure; et les figures 4 à 9 sont des cQupes partielles repré- sentant successivement l'ensemble à dispositif de suspen- sion et à bague de charge de la figure 2 pendant. l'instal- lation et après l'extraction d'un boîtier de tête de puits sous-marin tel que représenté sur la figure 1. Comme représenté sur la figure 1, un ensemble de suspension à dispositifs de suspension de tubages sous- marins selon l'invention comporte un ou plusieurs ensembles , 12 à dispositif de suspension de tubage destinés à supporter et à transmettre la charge des colonnes concen- triques de tubage 14, 16 respectivement, à un boîtier i8 de tête de puits à l'aide.de bagues de charge 20, 22, à plusieurs épaulements, sous forme de bagues fendues qui peuvent s'écarter et qui sont placées dans des paires de gorges annulaires complémentaires 18a, 18b formées à la surface interne du boitier 18. Des ensembles annulaires 24, 26 à garniture qui assurent essentiellement l'étanchéité dans l'anneau compris entre le boîtier 18 de la tête de puits et les dispositifs adjacents de suspension de tubages 12 et 28 respectivement, constituent aussi un dispositif destiné à déclencher l'expansion ou l'écartement des bagues de charge 20, 22 dans les gorges respectives 18a, 18b du boîtier de la tête de puits lorsque les ensembles à dispo- sitif de suspension 10, 12 approchent de leur position finale dans le boîtier comme représenté sur la figure 1 et - comme décrit plus en détail dans la suite. Le dispositif de suspension de tubage 28 qui est le plus bas sur la figure est de réalisation classique et comporte un épaulement. annulaire 28a qui est en appui sur un épaulement annulaire de support 18c formé à la surface interne du boîtier 18, avec plusieurs passages axiaux 28b espacés circonférentiel- lement et destinés à transmettre un fluide pendant les opérations bien connues d'installation et de cimentation. En outre et afin qu'une installation plus complète soit représentée, un ensemble annulaire supérieur 30 à garniture est représenté en position de travail entre le boîtier 18 de la tête de puits et l'ensemble supérieur et interne 10 à dispositif de suspension. Les ensembles à garniture 24, 26., 30 sont identiques dans cette représentation, mais il faut noter que leur réalisation peut être différente dans la mesure o leur coopération fonctionnelle avec les ensembles adjacents à dispositif de suspension de tubage n'est pas modifiée. Comme représenté sur la figure 2, un ensemble 40 à dispositif de suspension de boîtier selon l'invention com- porte un corps 42, une bague de charge 44 à plusieurs épaulements, fendue axialement afin qu'elle puisse s'écar- ter et rappelée élastiquement en position contractée autour du corps 42, un manchon 46 de déclenchement de bague de charge entourant le corps 42 au-dessous de la bague de charge 44, plusieurs goupilles 48 de cisaillement, espacées circonférentiellement (une seule étant représentée) fixant temporairement le manchon 46 afin qu'il ne puisse pas se déplacer axialement par rapport au corps 42, et un élément annulaire de butée 50 entourant le corps 42 afin qu'il retienne le manchon 46 sur le corps après que les ergots 48 ont été cisaillés. Le corps 42 a un taraudage inférieur 52 permettant son raccordement à une extrémité filetée d'une colonne de tubage ou d'une autre canalisation (non repré- sentée), un taraudage supérieur 54 destiné à la fixation d'un outil de travail (non représenté) destiné à descendre l'ensemble à dispositif de suspension dans un boîtier de tête de puits, et plusieurs passages de circulation 56 espacés circonférentiellement et destinés à transmettre des fluides au cours de l'installation et de la cimentation de l'ensemble à dispositif de suspension et colonne de tubage. Le corps 42 de dispositif de suspension a un épaule- ment supérieur annulaire externe 58 ayant une première surface tronconique 58a dirigée vers le bas, une première surface cylindrique 58b dirigée axialement depuis l'extré- mité de petit diamètre de la surface 58a, et une gorge annulaire 60 formée dans la surface 58b. La bague de charge 44 a une première surface tronconique interne 44a complé- mentaire de la surface 58a de l'épaulement du corps, une surface cylindrique interne 44b disposée axialement depuis l'extrémité de petit diamètre de la surface 44a, et un flasque annulaire 62 dirigé vers l'intérieur, depuis la surface 44b. Comme représenté sur la figure 2, lorsque la bague de charge 44 est en position contractée, ses surfaces 44a, 44b sont au contact des surfaces 58a, 58b de l'épaule- ment du corps et le flasque annulaire 62 pénètre dans la gorge annulaire 60. Le flasque 62 et la gorge 60 coopèrent en assurant un positionnement convenable de la bague con- tractée de charge 44 sur le corps du dispositif de suspen- sion et assure aussi la retenue de la bague à cet emplace- ment convenable Jusqu'a son expansion ou son écartement pendant la procédure de mise en place décrite dans la suite. Le corps du dispositif de suspension comporte, au- dessous de l'épaulement 58, une seconde et une troisième surface cylindrique externe 64, 66 ayant des diamètres différents et sur lesquelles le manchon 46 de déclenche- ment, ayant des surfaces internes complémentaires 68, 70, peut coulisser. Le manchon 46 de déclenchement a une partie supé- rieure 72 qui dépasse vers le haut et vers l'extérieur, vers la bague de charge 44, et aboutit a une surface tron- conique 72a et une surface annulaire radiale adjacente 72b. La bague de charge 44 a une seconde surface tronconique interne 44c qui est complémentaire de la surface 72a du manchon et qui est dirigée vers le bas et vers l'extérieur depuis sa surface cylindrique 44b, vers une surface radiale annulaire 44d. Les surfaces 44c et 72a coopèrent par effet 263077S de came et provoquent une expansion de la bague de charge 44 pendant la procédure de mise en place comme décrit dans la suite. On se réfère maintenant à la figure 3; lorsque l'ensemble 40 à dispositif de suspension a été mis en place, positionné et réglé dans le boîtier 18 de la tête de puits, la bague de charge 44 a été chassée de sa position contractée (figure 2) vers sa position fonctionnelle écartée (figure 3) d'encaissement des charges, dans laquelle elle supporte et transmet toute la charge du dispositif de suspension et de son tubage directement à la paroi du boîtier. La bague de charge a une première surface tronconique supérieure externe 44e de charge qui est en appui contre un premier épaulement tronconique complémen- taire 80 de charge dans la gorge 18a du boîtier, et une seconde surface tronconique inférieure externe 44f de charge qui est en appui sur un second épaulement tronco- - nique complémentaire 82 de charge dans cette gorge. Ainsi, la charge constituée par le dispositif de suspension et le tubage est transmise par les surfaces 58a et 44a à la bague de charge 44 puis de celle-ci, par l'intermédiaire de ses surfaces 44e, 44f, directement au boîtier 18 par l'intermé- diaire des surfaces 80, 82 de gorges, et aucune partie de cette charge n'est transmise à l'ensemble adjacent 24 à garniture ou à un dispositif de suspension placé au- dessous. On considère maintenant les opérations de mise en place et de récupération. Comme représenté sur les figures 4 à 6, l'ensemble 40 à dispositif de suspension est mis en place dans le boîtier 18 de la tête de puits par descente dans le boîtier, par exemple à l'aide d'un train de tiges classique ou d'une autre colonne d'exploitation jusqu'à ce que le manchon 72 de déclenchement vienne en appui contre l'ensemble à garniture monté précédemment (figure 4), la retenue de la colonne étant alors réduite afin que le poids de la colonne de tubage provoque le cisaillement des ergots 48 et la descente du corps 42 du dispositif de suspension par rapport au manchon de déclenchement (figure 5), ce déplacement provoquant aussi un déplacement de la bague de charge 44 par effet de came, en direction radiale, vers la gorge 18 du boîtier. Ce mouvement de descente se termine lorsque la bague 44 de charge vient en appui contre les épaulements 80, 82 de la gorge du boitier (figure 6), c'est-à-dire dans la position finale réglée du dispositif de suspension dans le boitier. Les figures 7 à 9 illustrent le déplacement séquen- tiel des différents éléments de l'ensemble à dispositif de suspension, soit pendant le réarmement de la bague de charge 44 afin qu'elle soit réinstallée dans le boîtier de la tête de puits, soit pendant la récupération de l'en- semble comprenant le dispositif de suspension et la colonne de tubage par extraction du tube. Lorsque le corps 42 du dispositif de suspension est soulevé, par exemple par une colonne (non représentée) partant du dispositif de suspen- sion et rejoignant la plate-forme en surface, l'élément annulaire 50 de butée remonte au contact de l'extrémité inférieure du manchon 46 de déclenchement (figure 7) et un soulèvement supplémentaire (figure 8) provoque un déplace- ment vers le haut du manchon avec le corps et la bague de charge 44 qui sont soulevés dans la gorge 18 du boîtier. La bague a ses surfaces tronconiques externes 84, 86 qui sont au contact des surfaces tronconiques complémentaires 88, 90 de la gorge respectivement pendant la remontée de la bague, si bien que la poursuite du déplacement vers le haut pro- voque un déplacement de la bague par effet de came vers l'intérieur, hors de la gorge (figure 8) jusqu'à ce que la bague soit contractée à la position indiquée sur la figure 9, dans laquelle elle peut soit remonter dans le boîtier 18 en cas d'une récupération, soit descendre avec les autres éléments de l'ensemble à dispositif de suspension afin que celuici soit remis en position, par utilisation de la séquence illustrée par les figures 4 à 6. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux ensembles de suspension qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble de suspension de tubage de puits destiné à supporter plusieurs colonnes concentriques de tubage dans une tête de puits, caractérisé en ce qu'il comprend: a) un boîtier annulaire (18) de tête de puits ayant au moins une gorge annulaire à sa surface interne, cette gorge ayant deux surfaces tronconiques annulaires dirigées vers le haut et vers l'intérieur et au moins une surface annulaire tronconique de came dirigée vers le bas et vers l'intérieur, b) un ensemble (40) à dispositif de suspension de tubage comprenant 1) un corps tubulaire (2) comprenant un dispositif de fixation d'une colonne de tubage de puits, un dispositif de fixation d'un outil de mise en place d'un dispositif de suspension, un épaulement annulaire externe supérieur ayant une première surface tronconique dirigée vers le bas, une première surface cylindrique dirigée axialement et tournée vers le bas depuis la première surface tronconique, une gorge annulaire formée dans la première surface cylindrique entre ses extrémités, et un dispositif de butée formé à la surface externe du corps au-dessous de la première surface cylindrique, 2) une bague de charge (44) qui est de type fendu permettant son expansion et comporte plusieurs épaulements, cette bague entourant le corps au-dessous de l'épaulement externe, la bague de charge ayant une première surface tronconique interne complémentaire de la première surface tronconique du corps, une surface cylindrique interne par- tant de la première surface tronconique interne, un flasque annulaire dirigé vers l'intérieur depuis la surface cylin- drique interne, une seconde surface tronconique interne partant de la surface cylindrique interne, et une surface radiale annulaire partant de la seconde surface tronconique interne, au moins une surface tronconique de support de charge dirigée vers le bas et vers l'extérieur, et au moins une Bsurface tronconique tournée vers le haut et vers l'extérieur, et 3) un dispositif (46) de déclenchement analogue à un manchon, entourant le corps et fixé de façon amovible à celui-ci au-dessous de la bague de charge et du dispositif de butée, le dispositif de déclenchement comportant une surface tronconique qui est complémentaire de la seconde surface tronconique interne de la bague de charge, et une surface radiale annulaire placée en face de la surface radiale de la bague de charge, et c) un dispositif de butée (24) placé dans le boîtier de la tête de puits afin qu'il empêche une descente supplé- mentaire du dispositif de déclenchement lorsque l'ensemble à dispositif de suspension de tubage est descendu dans le boîtier. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de butée placé dans le boîtier de la tête de puits comporte une garniture annulaire (24) placée au-dessous du dispositif de déclenchement. 3. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gorge annulaire (60) formée dans la première surface cylindrique du corps et le flasque annulaire (62) de la bague de charge coopèrent afin qu'ils empêchent un déplacement accidentel de la bague de charge depuis une position contractée autour du corps. 4. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague de charge (44) peut être remise en position contractée autour du corps permettant un rechargement et un nouveau positionnement de l'ensemble à dispositif de sus- pension de tubage sans qu'il soit nécessaire de retirer l'ensemble à dispositif de suspension du boîtier de la tête de puits.