Brevet FR2660358A1 — publié le 19911004

L'invention concerne des dispositifs de suspension de tubages de puits, et plus particulièrement de tels dispositifs de suspension destinés à être utilisés par l'industrie pétrolière dans des puits soumis à des conditions de température variant dans une large gamme. L'industrie pétrolière continuant de développer des puits de production de pétrole dans des environnements de plus en plus rudes, les exigences publiées par l'Ins- titut Américain du Pétrole pour maîtriser en toute sécurité les pressions de sondage présentes à la tête de puits continuent de devenir de plus en plus contraignantes En outre, les compagnies pétrolières exploitantes souhaitent du matériel pouvant être installé et obturé de la manière la plus rapide et la plus fiable possible, et ces exigences et préférences sont difficiles à satisfaire avec les dis- positifs de suspension de tubes existants La réalisation d'une obturation étanche de l'espace annulaire à l'aide d'un élément élastomérique d'étanchéité sur de larges gammes de températures, par exemple -18 'C à 1350 C et -450 C à 820 C, tout en supportant la charge du tubage suspendu, n'a pas été obtenue avec des dispositifs de suspension antérieurs à la présente invention, habituellement en raison de la difficulté à permettre la dilatation et la contraction thermiques de l'élément d'étanchéité qui possède un coefficient de dilatation thermique environ 10 fois supérieur à celui des éléments en acier du dispositif de suspension. Pour une sécurité maximale dans les conditions précédentes, l'obturation étanche de l'espace annulaire doit être effectuée automatiquement dès que la charge du tubage est suspendue dans le dispositif de suspension, et on doit éviter une déformation excessive du tubage, laquelle réduirait la dérive libre du tubage dans le forage De plus, lorsqu'une pression est appliquée à l'espace annulaire, la charge radiale sur les coins ne doit pas augmenter En outre, pour ajouter à la complication, l'Institut Américain du Pétrole a récemment modifié la tolérance admissible de diamètre extérieur pour le tubage, exigeant ainsi des dispositifs de suspension qu'ils fonctionnent avec un tubage conforme à toute révision de la spécification numéro 5 B de cet Institut. Les problèmes prédédents sont résolus et les exigences et préférences précitées sont satisfaites par un dispositif de suspension de tubage selon l'invention, tel que décrit ci-dessous et illustré dans les dessins annexés. L'invention concerne un dispositif de suspen- sion de tubage de puits comprenant plusieurs coins incurvés ayant des surfaces dentées intérieure et extérieure, une boîte à coins présentant une surface intérieure tronconique contre laquelle les coins reposent, une fausse boîte entourant la boîte à coins et ayant une partie extrême supérieure qui forme un anneau à garniture inférieur, un anneau à garniture supérieur et un élément annulaire élastomérique d'étanchéité se trouvant entre les anneaux à garniture inférieur et supérieur, l'élément d'étanchéité ayant en coupe transversale une configuration unique qui est déformée par l'application de la charge de suspension du tubage pour activer l'élément d'étanchéité et réaliser une barrière hermétique aux fluides dans les deux sens entre le tubage et une tête de tubage ou un autre élément extérieur dans lequel le dispositif de suspension est supporté L'élément d'obturation étanche comporte des parties circonférentielles intérieure et extérieure reliées entre elles par une partie de voile centrale de dimension axiale inférieure à celle des parties intérieure et extérieure et ayant des surfaces radiales concaves supérieure et inférieure, et les surfaces axiales inté- rieure et extérieure de l'élément d'étanchéité sont cylindriques avec des bords supérieur et inférieur chanfreinés Les éléments de l'ensemble coopèrent pour déformer et activer l'élément d'étanchéité à un degré prédéterminé quelle que soit la charge de suspension du tubage, puis pour transférer cette charge de suspension depuis le tubage, directement par les coins, la boîte à coins et la fausse boîte, sur la tête du tubage Le dispositif de suspension facilite l'établissement et le maintien de l'étanchéité bidirectionnelle sur de larges gammes de températures, ce qui n'était jusqu'à présent pas réalisé avec les dispositifs de suspension antérieurs connus. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue isométrique éclatée, avec coupe partielle, d'un dispositif de suspension de tubage de puits selon l'invention; et la figure 2 est une coupe verticale centrale du dispositif de suspension de tubage de la figure 1, dans l'état assemblé, la moitié de gauche de la figure 2 montrant le dispositif de suspension posé dans une tête de tubage, mais avant l'entrée en prise des coins de suspen- sion avec le tubage, et la moitié de droite de la figure 2 montrant les positions finales des éléments de suspension après l'achèvement des opérations d'installation. Comme on peut mieux le voir sur la figure 1, un dispositif 10 de suspension de tubage selon l'invention comprend un assemblage annulaire comportant une boîte 12 à coins formée par deux éléments semi-circulaires 14, 16 de boîte, quatre coins segmentés et incurvés 18, 20, 22, 24, une fausse boîte 26 formée par deux éléments semi-cir- culaires 28, 30 de boîte, un joint élastomérique 32 d'étanchéité formé par deux éléments semi-circulaires 34, 36 de joint, et un anneau à garniture supérieur 38 formé par deux éléments semi-circulaires 40, 42 d'anneau La partie supérieure élargie radialement des éléments 28, 30 de la fausse boîte fonctionne à la manière d'un anneau inférieur 44 à garniture qui coopère avec l'anneau supérieur 38 à garniture pour retenir le joint annulaire 32 d'étanchéité en place lorsque le dispositif de suspension est assemblé comme montré sur la figure 2. Les coins 18, 20, 22, 24 présentent, sur leur surface intérieure, un profil denté 46 formé en hélice afin de prendre et d'agripper le tubage 48 (figure 2) et, sur leur surface extérieure, un profil denté 50 formé en hélice qui porte contre la surface tronconique intérieure 52 de la boîte à coins pour limiter la charge radiale appliquée au tubage 48 lorsque les coins et le tubage descendent jusqu'à leur position finale, comme montré sur la moitié de droite de la figure 2, empêchant ainsi un affaissement du tubage ou une déformation du diamètre intérieur du tubage au- dessous du diamètre de dérive demandé Chacun des coins 18, , 22, 24 est maintenu tempairement en place contre la surface intérieure adjacente de la boîte à coins par une vis à tête 54 (deux seulement sont représentées sur la figure 1) qui passe dans un trou 56 de la fausse boîte, dans un trou 58 de la boîte à coins et dans un trou taraudé 60 du coin Après que le dispositif 10 de suspen- sion a été installé autour du tubage et avant que le dispositif soit descendu jusque dans la tête 61 du tubage (figure 2), les vis à tête 54 sont retirées. La fausse boîte 26 et la boîte à coins 12 sont maintenues assemblées, de manière à effectuer un mouvement axial relatif limité, par quatre goupilles 62 espacées circonférentiellement (deux seulement sont représentés) qui se logent dans des trous radiaux 64 de la boîte à coins et dans des trous oblongs 66 allongés axialement de la fausse boîte Huit vis à tête 68 espacées circonférentiellement passent axialement dans des trous 70 de l'anneau à garniture supérieur 38, dans des trous 72 du joint annulaire 32 d'étanchéité et dans des trous 74 de l'anneau inférieur à garniture 44 pour pénétrer dans des trous taraudés 76 de l'extrémité supérieure de la boîte à coins 12, afin de maintenir assemblés ces éléments du dispositif de suspension, comme montré sur la moitié de gauche de la figure 2. Les deux anneaux supérieur et inférieur à garniture comportent des lèvres annulaires intérieures et extérieures 38 a, 38 b, 44 a, 44 b s'étendant axialement, lesquelles lèvres se déforment sous la pression pour limiter l'extrusion du joint annulaire élastomérique 32 d'étanchéité Cette déformation résulte de la pression d'activation dans le joint 32, et élimine les intervalles d'extrusion annulaires relativement grands engendrés par l'accroissement de la plage de tolérance concernant le tubage. Le joint annulaire 32 d'étanchéité présente, en coupe transversale, une forme géométrique particulière qui permet une dilatation et une contraction thermiques appropriées pour s'opposer hermétiquement à la pression régnant dans l'espace annulaire entre le tubage 48 et la tête 61 du tubage (figure 2) Comme on le voit sur la figure 1, le joint 32 comprend des parties circonférentiel- lement intérieure et extérieure 32 a, 32 b reliées entre elles par une partie de voile centrale 32 c de dimension axiale inférieure à celle des parties extrêmes, afin que les surfaces concaves supérieure et inférieure 32 d, 32 e de la partie de voile 32 c soient espacées axialement des surfaces extrêmes plates adjacentes 38 c, 44 c des anneaux à garniture supérieur et inférieur Le joint 32 présente également des surfaces cylindriques intérieure et ex- térieure 32 f, 32 g qui aboutissent dans des bords chan- freinés 32 h, 32 j Lorsque le poids du tubage 48 (figure 2) est imposé au dispositif 10 de suspension, il provoque un mouvement axial de l'anneau à garniture supérieur 38 vers l'anneau à garniture inférieur 44 Lorsque ce mouvement a lieu, le joint 32 est déformé par une compression axiale pour prendre la forme, en coupe transversale, montrée sur la moitié de droite de la figure 2 et lorsque ce mouvement ou cette course a atteint sa limite prédéterminée, la contrainte interne résultante dans l'élastomère aux emplacements annulaires d'étanchéité maintient une étanchéité aux fluides, hermétique à la pression, dans les deux sens sur toute la gamme de températures à laquelle le joint 32 est exposé. Lorsque le dispositif 10 de suspension de tubage est installé, les coins 18, 20, 22, 24 sont dans une position élevée dans la boîte à coins 12, comme montré sur la moitié de gauche de la figure 2, de manière qu'il ne puisse pas appliquer une pression radiale de contact au tubage 48 Le dispositif 10 de suspension descend en glissant le long du tubage 48 jusqu'à ce que la fausse boîte 26 vienne reposer sur un épaulement annulaire intérieur 80 de la tête 61 du tubage Le tubage 48 qui, en ce point, est encore supporté par la structure de levage de l'installation de forage (non représenté), est élevé afin que l'on obtienne la charge de suspension souhaitée, et la surface tronconique 52 de la boîte 12 à coins facilite le mouvement de montée du tubage 48 par rapport au dis- positif 10 de suspension. Lorsque le tubage descend, il est pris par la surface dentée 46 des coins et fait descendre ces derniers le long de la surface 52 de la boîte à coins, augmentant la force de contact des coins avec le tubage et transférant la charge de support par les coins à la boîte 12 à coins. Lorsque ceci a lieu, la boîte 12 à coins descend jusqu'à ce que son épaulement annulaire extérieur 82 de charge entre en contact avec et vienne reposer sur l'épaulement annulaire intérieur 84 de charge de la fausse boîte 26, transférant ainsi directement la totalité de la charge du tubage à la tête 61 du tubage au moyen des coins, de la boîte à coins et de la fausse boîte (moitié de droite de la figure 2). Avant l'entrée en contact de l'épaulement 82 de la boîte à coins avec l'épaulement 84 de la fausse boîte, la charge du tubage est transférée de la boîte à coins à l'anneau supérieur 83 à garniture par les vis à tête 68. Cette charge est transférée de l'anneau supérieur à garniture au joint 32, engendrant une compression du joint qui active l'élastomère et produit la barrière bidirection- nelle à fluides entre le tubage 48 et la tête 61 de ce tubage Comme on le comprendra, le degré de compression du joint dépend de l'importance de la course nécessaire à la boîte à coins avant que son épaulement 82 vienne se poser et se positionner sur l'épaulement 84 de la fausse boîte. Dans certaines situations, la charge du tubage supportée peut être inférieure à celle demandée pour faire porter l'épaulement 82 de la boîte à coins sur l'épaulement 84 de la fausse boîte, comme cela peut se produire dans des puits peu profonds ou à basse pression o la colonne de tubage est relativement courte et légère Dans ces circonstances, la pression demandée du joint 32 peut être obtenue par un accroissement du couple sur les vis à tête 68, ou par descente à force de l'anneau supérieur à garniture 38 à l'aide de vis 90 de bridage à bout incliné, de la manière connue. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif de suspension de tubage décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif de suspension de tubage de puits destiné à supporter un tubage ( 48) de puits dans une tête de puits ou autre élément l'entourant et à réaliser et maintenir une étanchéité aux fluides dans les deux sens entre le tubage et l'élément sur une large gamme de températures, le dispositif de suspension étant caractérisé en ce qu'il comporte: a) plusieurs coins incurvés ( 18, 20, 22, 24); b) une boîte annulaire ( 12) à coins ayant une surface intérieure tronconique ( 52) contre laquelle les coins reposent; c) une fausse boîte ( 26) entourant la boîte à coins; d) un anneau à garniture inférieur ( 44) au- dessus de la fausse boîte; e) un anneau à garniture supérieur ( 38) au- dessus de l'anneau à garniture inférieur; et f) un élément élastomérique annulaire ( 32) d'étanchéité entre les anneaux à garniture supérieur et inférieur; les éléments précités a) à e) coopérant pour déformer et activer l'élément d'étanchéité à un degré prédéterminé quelle que soit la charge de suspension de tubage qui leur est imposée lorsque le dispositif de suspension est installé en position appropriée de fonctionnement entre un tubage et un élément de puits l'entourant, puis pour transférer cette charge de suspension depuis le tubage directement par les coins, la boîte à coins et la fausse boîte sur l'élément de puits entourant le tubage. 2 Dispositif de suspension de tubage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la boîte à coins comporte un épaulement annulaire extérieur ( 82) et la fausse boîte comporte un épaulement annulaire intérieur ( 84), les épaulements coopérant pour que la boîte à coins soit supportée axialement sur la fausse boîte lorsque le dispositif de suspension est dans sa position établie. 3 Dispositif de suspension de tubage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les épaulements sont espacés axialement d'une distance prédéterminée avant que la charge de suspension du tubage soit imposée aux coins, et en ce que la boîte à coins descend sous l'effet de l'imposition de la charge de suspension du tubage jusqu'à ce que l'épaulement de la boîte à coins vienne reposer sur l'épaulement de la fausse boîte. 4 Dispositif de suspension de tubage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les anneaux supérieur et inférieur à garniture comportent des lèvres annulaires intérieures et extérieures ( 38 a, 38 b, 44 a, 44 b) s'étendant axialement depuis lesdits anneaux pour limiter l'extrusion de l'élément d'étanchéité d'entre les anneaux. Dispositif de suspension de tubage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'étan- chéité comporte des parties circonférentielles intérieure et extérieure ( 32 a, 32 b) reliées entre elles par une partie de voile centrale ( 32 c) de dimension axiale inférieure à celle des parties intérieure et extérieure, la partie de voile ayant des surfaces radiales concaves supérieure et inférieure ( 32 d, 32 e). 6 Dispositif de suspension de tubage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'étan- chéité présente des surfaces cylindriques intérieure et extérieure ( 32 f, 32 g) à bords supérieur et inférieur chanfreinés ( 32 h, 32 j). 7 Dispositif de suspension de tubage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fausse boîte et l'anneau à garniture inférieur sont réalisés d'une seule pièce. 8 Dispositif de suspension de tubage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs vis à tête ( 68) espacées circonférentiellement, qui s'étendent axialement à travers l'anneau à garniture supérieur, l'élément d'étanchéité et l'anneau à garniture inférieur pour être vissées dans la boîte à coins afin de maintenir les anneaux à garniture et l'élément d'étanchéité en position appropriée sur la boîte à coins tout en facilitant un mouvement de l'anneau à garniture supérieur vers l'anneau à garniture inférieur afin de comprimer et déformer l'élément d'étanchéité pendant que la boîte à coins s'éloigne axialement de l'anneau à garniture inférieur en réponse à l'application de la charge de suspension du tubage sur les coins.