Brevet FR2630776A1 — publié le 19891103

La présente invention concerne les garnitures desti- nées à assurer l'étanchéité sous pression dans l'anneau formé entre des éléments tubulaires concentriques adja- cents, tels qu'un boîtier de tête de puits et un dispositif de suspension de tubage dans un puits sous-marin, et elle concerne plus précisément de tels ensembles à garnitures destinés à former un joint métal-sur-métal entre les éléments. Dans l'industrie du pétrole et du gaz et en particu- lier dans les opérations de forage de puits sous-marins et autres dans l'eau, une pratique courante comprend l'utili- sation d'un ensemble formant un joint annulaire d'étan- chéité, appelé garniture, placé entre les éléments concen- triques adjacents-de la tête de puits, tels que le boîtier de la tête de puits et les dispositifs de suspension de tubage qui supportent les colonnes de tubage dans le puits afin que les anneaux délimités entre ces éléments soient fermés d'une manière étanche à la pression. Pendant de nombreuses années, ces garnitures ont comporté des éléments annulaires d'étanchéité formés d'élastomère ou d'autres matériaux non métalliques qui, lorsqu'ils sont mis en con- tact intime avec les surfaces en regard de la tête de puits et du dispositif de suspension, ont formé la barrière nécessaire s'opposant au passage de la pression. Cependant, la tendance croissante au forage de puits de plus en plus profonds dans des couches à pression relativement grande et la rencontre fréquente dans ces puits d'hydrogène sulfuré et d'autres gaz corrosifs, ont conduit à la mise au point de garnitures ayant des éléments d'étanchéité entièrement métalliques afin qu'une barrière s'opposant au passage de la pression soit formée par contact entre des métaux. Bien que certaines des garnitures connues ayant des joints du type métal-sur-métal aient un fonctionnement satisfaisant dans certaines conditions, il est de plus en plus néces- saire de disposer de garnitures qui puissent être instal- lées depuis un emplacement distant, sans difficulté, capables de supporter des pressions de fonctionnement supé- rieures à celles qui ont été utilisées jusqu'à présent, et assurant la conservation de l'étanchéité pour de larges gammes de fluctuation de la pression. L'invention concerne de façon générale une garniture d'étanchéité du type métal-sur-métal destinée à établir une barrière métallique résistant à pression élevée entre des surfaces adjacentes d'éléments tubulaires concentriques, et en particulier assurant l'étanchéité dans l'anneau formé entre un boîtier de tête'de puits et un dispositif de suspension de tubage placé concentriquement à l'intérieur, et destiné à assurer la conservation de la barrière métal- lique s'opposant au passage de la pression, ou de l'êtan- chéité, pour des variations extrêmement grandes de pres- sion. Les garnitures selon l'invention comprennent des ensembles d'éléments comprenant des éléments métalliques d'étanchéité de configuration originale et des organes de commande d'étanchéité qui coopèrent de manière originale en donnant une étanchéité très perfectionnée augmentant consi- dérablement l'aptitude à supporter des fluctuations inhabi- tuellement élevées de la pression dans le puits, dont le montage est relativement facile et qui peuvent être montés comme un tout dans une tête de puits sous-marin ou distante sans des opérations compliquées et sans problème gênant. Tous les modes de réalisation de garnitures du type métal-sur-métal selon l'invention comportent un élément d'étanchéité ayant deux lèvres métalliques annulaires d'étanchéité qui sont activées, c'est-à-dire écartées, afin qu'elles viennent en contact étanche avec des surfaces métalliques annulaires en regard appartenant.par exemple à un boîtier de tête de puits et un dispositif interne de suspension de tubage, sous l'action d'une force de coin exercée par un mandrin annulaire d'écartement dont la con- figuration en coupe ressemble à celle d'un diapason ayant des branches allongées. Les branches qui sont en réalité des flasques annulaires axiaux du mandrin, sont comprimées radialement pendant cette activation du joint par coince- ment si bien qu'une énergie de flexion apparaît dans les branches ainsi que dans les lèvres de l'élément d'étan- chéité, cette énergie maintenant les lèvres du joint en contact étanche avec les surfaces en regard de la tête de puits et du dispositif de suspension malgré les grandes variations des pressions dans le puits qui peuvent être appliquées à l'élément d'étanchéité. Tous les modes de réalisation de joints des garnitures décrites sont ver- rouillés en position en retrait et non activée, pendant la descente ou la mise en place convenable dans la tête de puits, et l'activation provoquant l'écartement des lèvres métalliques d'étanchéité au contact des surfaces en regard de la tête de puits et du dispositif de suspension ne peut pas être réalisée tant qu'elle n'a pas été exécutée yolon- tairement par l'opérateur, à l'aide d'un outil spécial de commande de la garniture. Les joints métal-sur-métal formés par les garnitures de l'invention sont destinés à être complétés par des joints élastomères annulaires ayant une fonction secondaire d'étanchéité qui est souhaitable dans certaines circons- tances et, dans ces conditions, les éléments élastomères secondaires d'étanchéité ont de préférence un diamètre légèrement accru afin qu'ils assurent une certaine protec- tion des lèvres métalliquesd'étanchéité pendant l'instal- lation et les autres manutentions. Ainsi, à des emplace- ments de coopération intime, les éléments élastomères d'étanchéité peuvent former un joint primaire ou secondaire entre la tête de puits et le dispositif de suspension, indépendamment du joint formé par l'élément métallique d'étanchéité. 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 entou- rant les extrémités supérieures de trois colonnes concen- triques de tubage, la moitié droite et la partie supérieure de la moitié gauche de la figure étant représentées en coupe par un plan vertical central afin que les ensembles à garniture selon l'invention montés entre le boîtier et les dispositifs de suspension de tubage apparaissent; la figure 2 est une perspective partielle agrandie avec des parties arrachées et en coupe partielle de l'un des ensembles à garniture de la figure 1; la figure 3 est une coupe partielle agrandie par un plan vertical représentant l'ensemble à garniture des figures 1 et 2 en position entre le boîtier de la tête de puits et le dispositif adjacent de suspension de tubage mais avant sa mise à l'état dans lequel il assure l'étan- chéité par un joint métal-sur-métal; la figure 4 est analogue à la figure 3 et représente la garniture dans la position dans laquelle elle assure l'étanchéité par un joint métal-sur-métal; et les figures 5 à 7 sont des coupes partielles agran- dies par un plan vertical représentant d'autres modes de réalisation d'éléments métalliques d'étanchéité de garni- ture selon l'invention. La figure 1 représente un exemple d'ensemble formant une tête d'un puits sous-marin et qui permet la suspension de trois colonnes de tubage au fond de la mer, l'ensemble comprenant de façon générale un boîtier externe 10 de tête de puits, un premier, un second et un troisième dispositif 12, 14 et 16 de suspension de tubage destinés à supporter des colonnes externe, intermédiaire et interne de tubage 18, 20 et 22 respectivement dans le boîtier 10, et un premier, un second et un troisième ensemble à garniture 24, 26, 28 qui sont identiques et sont destinés à assurer l'étanchéité dans les anneaux délimités entre le boîtier 10 et les dispositifs 12, 14 et 16 de suspension respective- ment. Comme mieux représenté sur les figures 3 et 4, chacun des ensembles annulaires à garniture comprend un corps en deux parties ayant des éléments supérieur et inférieur 30, 32 raccordés par vissage en 34, une bague de blocage 36 entourant la partie supérieure 30 du corps qui la supporte, un mandrin annulaire 38 d'expansion de bague de blocage entourant aussi la partie supérieure 30 du corps et retenu sur lui autour de la bague de blocage par une bague élas- tique 40 qui pénètre partiellement dans une gorge interne 42 du mandrin et autour d'une surface cylindrique externe 44 du corps supérieur 38, et un élément métallique annu- laire 46 d'étanchéité fixé à l'extrémité inférieure de la partie inférieure 32 du corps par plusieurs organes de retenue 48 à vis et écrou, espacés circonférentiellement (un seul est représenté). Chaque ensemble à garniture com- porte en outre une bague 50 s'opposant à la rotation et fixée de façon amovible sur la partie supérieure 30 du corps par plusieurs goupilles 52 de cisaillement qui sont espacées circonférentiellement (une seule étant représen- tée) afin que la rotation relative des parties supérieure et inférieure 30, 32 du corps soit évitée jusqu'à ce que l'ensemble à garniture soit convenablement placé et prêt à être activé entre le boitier 10 et le dispositif 14 de suspension. Comme mieux représenté sur la figure 2, mais aussi comme indiqué sur les figures 3 et 4, le mode de réalisa- tion préféré de l'élément 46 d'étanchéité de la garniture comporte une partie annulaire métallique 50 de base et deux lèvres métalliques annulaires 52, 54 d'étanchéité qui sont dirigées vers le haut et divergent avec une forme en V depuis la base 50, deux joints élastomères annulaires 56, 58 entourant les surfaces externes des lèvres d'étanchéité 52, 54 respectivement, et deux bagues annulaires anti- extrusion 60, 62 formées d'une toile métallique ou d'un autre type convenable. L'élément 46 d'étanchéité comporte en outre plusieurs entretoises segmentées 64 ayant, en coupe, une forme de champignon allongé et relativement grand qui est retourné, les entretoises étant placées cir- conférentiellement entre les boulons de retenue 48. Chaque entretoise 64 a une tête ou partie inférieure 66 de base qui se rétrécit et qui, dans la position de montage repré- sentée sur les dessins, est placée entre les lèvres 52, 54 d'étanchéité et une partie centrale formant une joue 68 qui remonte de la tête 66 et pénètre dans un espace annulaire central 70 délimité par deux branches annulaires 72, 74 descendant de la partie inférieure d'extrémité 32a du corps inférieur 32 de la garniture. Les branches annulaires 72, 74 de la partie infé- rieure ou du corps inférieur 32 de la garniture ont des dimensions telles qu'elles sont ajustées entre les parties supérieures d'extrémité 52a, 54a des lèvres d'étanchéité 52, 54, comme représenté sur les figures 2 à 4, et leurs surfaces inférieures externes ont une forme profilée ou inclinée en 72a, 74a afin qu'elles coopèrent avec ces lèvres par une action de coincement. Ainsi, lorsque le corps inférieur 32 de la garniture est repoussé vers le bas depuis la position représentée sur la figure 3 vers la position représentée sur la figure 4 par rotation du corps supérieur 38 pendant l'opération de mise en place, les lèvres d'étanchéité 52, 54 sont écartées mécaniquement par effet de coin et viennent en contact métal-sur-métal étanche avec les surfaces adjacentes du boitier 10 et du dispositif 14 de suspension. Pendant cette opération d'écartement des lèvres d'étanchéité, de l'énergie de flexion est transmise aux lèvres qui sont maintenues en contact positif métal-sur-métal avec la tête de puits et le dispositif de suspension pour une large gamme de pressions et de fluctuation de pression dans le puits. Les branches annulaires 72, 74 reçoivent aussi une certaine énergie de flexion pendant cette opération, et les joues 68 des entre- toises 64 empêchent une déformation permanente excessive de ces branches lorsque la pression dans l'anneau du puits, au-dessous de la garniture, repousse l'élément d'étanchéité vers le haut, depuis le bas. Les branches 72, 74 ne flé- chissent cependant pas de manière permanente sous l'action des forces mais gardent une certaine énergie de flexion Iorsque de basses pressions de fonctionnement sont ensuite appliquées, si bien que le joint métal-surmétal garde son intégrité entre le dispositif de suspension et le boîtier de la tête de puits. On considère l'installation de l'ensemble à garni- ture. Chaque ensemble à garniture 24, 26, 28 est installé dans le boîtier 10 de la tête de puits par un outil spécial (non representé) fixé à l'extrémité inférieure d'un train de tiges (non représenté) qui est commandé et manipulé depuis la plate-forme de forage placée à la surface (non représentée) cette opération étant bien connue dans la technique. On se réfère ax figures 2 et 3 à titre illus- tratif. Lorsque le dispositif 14 de suspension de tubage a été descendu en position dans le boîtier 10 et lorsque sa colonne de tubage 20 a été cimentée en place, l'ensemble 26 à garniture est descendu sur l'outil spécial et placé sur le dispositif de suspension comme représenté sur la figure 3. Dans cette position, le corps inférieur 32 de la garni- ture est bloqué en rotation par coopération de la gorge axiale 14a de la surface externe supérieure du dispositif 14 de suspension et d'une nervure axiale complémentaire 32a formée à la surface interne adjacente du corps 32. Si la nervure 32a n'est pas alignée convenablement sur la gorge 14a lors de la descente de la garniture, l'outil est tourné par rotation du train de tiges jusqu'à ce que l'alignement soit obtenu et l'étape de mise en position peut se pour- suivre. L'outil est alors tourné vers la droite et cisaille des ergots (non représentés) qui le fixent temporairement à la garniture. Pendant cette rotation, l'outil s'aligne sur des fentes verticales 80, (figure 1) formées dans la garni- ture et descend plus loin, si bien qu'il chasse le mandrin 38 d'écartement vers le bas derrière la bague de blocage 36 qui, en conséquence, s'écarte totalement dans la gorge 82 du boîtier de la tête de puits et provoque un cisaillement des goupilles 52 par la bague anti-rotation 50 de la garni- ture et tombe sur l'extrémité supérieure du dispositif. 14 de suspension de tubage (figure 4) qui libère alors le corps supérieur 30 de la garniture qui peut tourner. L'outil est alors entrainé en rotation vers la droite et provoque une rotation correspondante vers la droite du corps supérieur 30 de la garniture. A ce moment, les filets 34 placés entre le corps supérieur 30 et le corps inférieur 32 provoquent un déplacement axial de ces deux corps en sens opposés si bien qu'une force de compres- sion est appliquée entre la bague 36 de blocage et le dispositif 14 de suspension de tubage. Cette force de compression agit sur l'élément 46 d'étanchéité de garniture et assure l'étanchéité voulue métal-sur-métal contre le boîtier 10 de la tête de puits et le dispositif 14 de suspension. Un faible couple suffit pour la commande de cet élément d'étanchéité, et ceci constitue un avantage très souhaitable pour les ensembles à garniture selon l'in- vention. On considère maintenant l'extraction de l'ensemble à garniture. Les ensembles à garnitures selon l'invention peuvent être retirés de leur position dans le boîtier 10 de la tête de puits (figure 4) par soulèvement du mandrin 38 d'écartement depuis un emplacement qui se trouve derrière la bague de blocage 36, si bien que la bague peut se con- tracter et peut sortir de la gorge 82 du boîtier, vers sa position de la figure 3, contre la surface supérieure du corps. Ceci libère la garniture du boîtier et permet son extraction par simple soulèvement en direction verticale. On considère maintenant d'autres modes de réalisa- tion représentés sur les figures 5 à 7. La figure 5 repré- sente une variante du joint de la garniture des figures 1 à 4 dans laquelle des joints annulaires élastomères 90, 92 ayant des gorges annulaires 90a, 92a sont utilisés avec l'élément métallique 46 d'étanchéité à la place des joints élastomères 56, 58 et des bagues antiextrusion 60, 62. Les entretoises 93 de ce mode de réalisation n'ont pas non plus de joues centrales qui sont présentes dans le mode de réalisation préféré. La figure 6 représente un autre élément métallique 94 d'étanchéité ayant des lèvres 96, 98 d'étanchéité de configuration légèrement différente de celle des lèvres 52, 54 du mode de réalisation des figures i à 4. Cet élé- ment métallique d'étanchéité 94 a aussi deux petites ner- vures annulaires relativement petites 100, 102 qui dépas- sent vers le haut et vers l'extérieur depuis la base 104 et des joints élastomères annulaires 106, 108 ayant une confi- guration ondulée en surface, logés entre les lèvres et les nervures. Dans ce mode de réalisation, les surfaces infé- rieures externes de la partie 110 d'activation du joint du corps inférieur de la garniture ont des surfaces arrondies 112, 114 qui sont en appui contre les faces internes des branches 96, 98. Dans le mode de réalisation de la figure 7, les lèvres d'étanchéité 116, 118 de l'élément métallique origi- nal 120 d'étanchéité partent de la proximité des bords externes de la base 122 et des joints élastomères annu- laires 124, 126 ayant des bagues annulaires anti-extrusion 128, 130 sont maintenus captifs entre les extrémités des lèvres et des épaulements 132, 134 de la partie 136 d'acti- vation du corps inférieur 138 de la garniture. Bien que la configuration géométrique des modes de réalisation des figures 5 à 7 diffère de celle du mode de réalisation préféré des figures 1 à 4, il faut noter que les divers éléments et les-diverses surfaces de ces modes de réalisation jouent les mêmes rôles lors de l'activation, que dans le mode de réalisation préferé. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux garnitures qui viennent d'être décrites uniquement à titre d'exemples non limita- tifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Garniture annulaire destinée à former une bar- rière métallique résistant à des pressions élevées entre des surfaces adjacentes d'éléments tubulaires concen- triques, la garniture étant caractérisée en ce qu'elle comprend: a) un corps annulaire (30, 32) en deux parties, ayant une partie supérieure raccordée à une partie infé- rieure de manière qu'elle puisse tourner en provoquant un déplacement axial relatif des éléments, b) une bague de blocage (36) entourant la partie supérieure et qui peut s'en écarter vers l'extérieur, c) un mandrin annulaire (38) d'écartement de bague de blocage, entourant la partie supérieure du corps au- dessus de la bague de blocage, le mandrin ayant un disposi- tif destiné à écarter la bague de blocage lorsqu'une force axiale lui est appliquée, d) un dispositif anti-rotation (50) fixé temporaire- ment à la partie inférieure du corps afin qu'il empêche une rotation relative indésirable des parties supérieure et inférieure du corps, e) un joint métallique annulaire (46) fixé à la partie inférieure du corps et destiné.à former un joint métal-sur-métal entre les éléments tubulaires concen- triques, le dispositif d'étanchéité comprenant une base métallique annulaire (50) ayant deux lèvres métalliques annulaires d'étanchéité (52, 54) qui en dépassent vers le haut, et f) un dispositif d'activation dépassant de la partie inférieure du corps et disposé entre les lèvres, le dispo- sitif d'activation comprenant deux branches annulaires (72, 74) destinées à déplacer les lèvres par effet de coincement en les écartant afin qu'elles viennent en contact étanche contre les surfaces des éléments tubulaires lorsqu'une force axiale est appliquée aux branches, celles-ci accumu- lant de l'énergie de flexion pendant ce déplacement avec action de coin et appliquant cette énergie aux lèvres afin que le contact étanche métalsur-métal avec lesdites surfaces soit conservé malgré des fluctuations extrêmement grandes de pression auxquelles le dispositif d'étanchéité est exposé. 2. Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif d'entretoise (66) placé entre les branches annulaires (72, 74) et destiné à empêcher la déformation des branches au- delà de certaines limites acceptables, sous l'action.de la pression de coin- cement qui est exercée sur elles. 3. Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des joints élastomères (56, 58) placés sur le joint métallique et destinés à donner une fonction secondaire d'étanchéité. 4. Garniture selon la revendication 1, caractérisée en ce que les lèvres d'étanchéité (72, 74) divergent depuis la base et ont aussi une fonction de retenue du dispositif annulaire non métallique assurant l'étanchéité secondaire (56, 58).