Brevet FR2704042A1 — publié le 19941021

JOINT F8 POUR TUYAU DE GRAND DIAXETRE Cette invention concerne des joints à utiliser entre un tubage pétrolier et des têtes de puits, et plus particulièrement des joints en élastomère destinés à assurer l'étanchéité entre des éléments tubulaires interposés conçus avec des tolérances relativement grandes. Des joints à utiliser entre un tubage et des têtes de puits doivent pouvoir supporter des conditions de température et de pression élevées tout en assurant une étanchéité efficace entre une tête de puits et une surface brute de tubage. Les joints doivent aussi s'adapter à différentes dimensions d'ouverture entre les éléments tubulaires. Typiquement, des diametres de tube compris entre 6 cm (2 3/8") et 45,7 cm (18") permettent une tolérance de + 1,00 %, - 0,50 % du diamètre extérieur, tandis que des diamètres de tube entre 50,8 cm (20") et 91,4 cm (36") permettent une tolérance de + 1,00 % du diamètre extérieur. En raison de ces tolérances, et du fait que le tubage est souvent excentrique par rapport à l'alésage d'une tête de puits, une ouverture relativement grande peut être créée entre le tubage et la tête de puits. Pour les mêmes raisons, une ouverture relativement petite peut survenir. I1 y a donc un besoin pour un joint polyvalent qui peut s'adapter à une surface brute de tubage et à différentes dimensions d'ouverture entre des éléments tubulaires. La présente invention comprend un corps de joint annulaire en élastomère ayant une section transversale généralement rectangulaire. La face axiale interne du corps de joint a une partie centrale généralement convexe s'étendant radialement vers l'intérieur. La face axiale externe du corps de joint a une partie centrale généralement concave s'étendant radialement vers l'intérieur. Le corps de joint comprend en outre au moins un élément annulaire à ressort positionné à l'intérieur du corps de joint et placé attenant à la face axiale interne du corps de joint. L'élément à ressort doit avoir un diamètre égal à environ 1,5 à 2 fois la distance ou l'espace entre la tête de puits et le tubage afin de fournir un appui à la partie convexe prolongée et fournir des propriétés anti-extrusion. La figure 1 est une vue partielle en coupe d'une première réalisation du joint placé dans une rainure dans une tête de puits et s'étendant en contact avec un tubage. La figure 2 est une vue partielle en coupe d'une deuxième réalisation du joint placé dans une rainure dans une tête de puits et s'étendant en contact avec un tubage. La figure 3 est une vue partielle en coupe d'une troisieme réalisation du joint placé dans une rainure dans une tête de puits et s'étendant en contact avec un tubage. La figure 4 est une vue partielle en coupe d'une quatrième réalisation du joint placé dans une rainure dans une tête de puits et s'étendant en contact avec un tubage. Comme montré sur la figure 1, l'ensemble d'étanchéité de la présente- invention comprend un corps de joint annulaire 10 placé dans une rainure annulaire 12 d'une tête de puits 14 dans laquelle un tubage 16 est positionné. Le corps de joint 10 présente une section transversale de forme généralement rectangulaire ayant une surface radiale supérieure 11 et une surface radiale inférieure 13. Un espace 18 existe entre la tête de puits 14 et la tubage 16. L'espace 18 peut etre dû aux tolérances de fabrication ou à la position excentrique du tubage 16 par rapport à la tête depuits 14. Le corps de joint annulaire 10 est fabriqué en élastomère ou autre matériau adéquat ayant des propriétés identiques. L'ensemble d'étanchéité comprend en outre une partie centrale convexe 20 sur la surface axiale interne du corps de joint 10 s'étendant radialement vers l'intérieur à partir d'une ligne imaginaire reliant les extrémités axiales internes des surfaces radiales 11 et 13. La partie convexe 20 s'étend sur une distance plus grande que l'espace 18 de sorte que, lorsque positionnée dans la tête de puits 14 recevant le tubage 16, la partie convexe 20 s'étende à travers l'espace 18 et s'appuie contre la paroi extérieure du tubage 16. Une partie concave centrale 22 sur la surface axiale extérieure du corps de joint 10 s'étend radialement vers l'intérieur à partir d'une ligne imaginaire reliant les extrémités axiales extérieures des surfaces radiales 11 et 13. Le volume de matériau en élastomère comprenant la partie convexe 20 qui s'étend radialement vers l'intérieur au delà d'une ligne imaginaire reliant les extrémités axiales intérieures des surfaces radiales 11 et 13 est approximativement égal au volume de l'espace vide formé par la partie concave 22 qui s'étend radialement vers l'intérieur au delà d'une ligne imaginaire reliant les extrémités axiales extérieures des surfaces radiales li et 13. La partie concave 22 fournit un espace pour que le matériau en élastomère se stabilise lorsque le joint est dans un état hautement comprimé. Encastré dans le corps en élastomère 10 se trouve au moins un élément annulaire à ressort 24. L'élément annulaire X ressort 24 peut comprendre un ressort hélicoïdal. Les éléments annulaires à ressort 24 sont positionnés à l'intersection de la surface axiale intérieure et d'une ou l'autre des surfaces radiales fi et 13. Dans la réalisation de la figure 1, il y a deux éI;ments annulaires à ressort 24. Les éléments- annulaires à ressort 24 fonctionnent comme éléments- anti-extrusion et fournissent un appui pour la partie convexe prolongée 20. Les éléments à ressort 24 réalisent un appui à la base de la partie convexe 20 où elle s'étend à partir du corps du joint en élastomère 10. Les éléments à ressort 24 résistent à la déformation à la jonction de la partie convexe 20 et du corps du joint 10, fournissant une résistance aux forces de compression et aux moments auxquels la partie convexe 20 peut être soumise. Les éléments à ressort sont conçus pour avoir un diamètre d'au moins 1,5 fois environ la distance de l'espace 18 afin de fournir un appui adéquat à la partie convexe 20. De manière optimale, -les éléments à ressort 24 ont un diamètre dans -la gamme d'environ 1,5 à 2 fois la distance de l'espace 18. Des réalisations alternatives sont représentées sur les figures 2 et 3 qui comprennent seulement un élément annulaire à ressort 24. Dans ces réalisations, il est préférable de n'incorporer qu'un élément à ressort 24 dans l'ensemble d'étanchéité afin d'obtenir la compression et le remplissage de volume nécessaires pour un joint efficace lorsque la dimension en coupe transversale d'un joint à double ressort s'avère autrement impraticable pour des épaisseurs conventionnelles de parois de tubage. L'utilisation d'un élément à simple ressort 24 permet une réduction de la zone de section transversale et résulte en un joint unidirectionnel. La figure 4 représente une autre réalisation alternative dans laquelle des saillies annulaires 30 sont ajoutées à la pointe de la partie convexe 20 et aux extrémités de la partie concave 22. Les saillies 30 s'étendent radialement pour accroître la largeur radiale totale de l'ensemble d'étanchéité. Les saillies 30 réalisent un ajustement serré ou une compression supplémentaire. Cette compression supplémentaire peut améliorer l'ajustement d'étanchéité de l'ensemble d'étanchéité dans des environnements à basse température où le corps de joint en élastomère 10 présente un coefficient d'expansion thermique plus grand que celui des composants en acier utilisés pour l'étanchéité. En ajoutant une petite quantité au remplissage du volume et à la force de compression, les saillies 30 suppriment le besoin d'accroStre la zone de la section transversale du corps du joint 10. Bien que le meilleur mode considéré pour effectuer la présente invention ait été montré et décrit ici , on comprendra que des modifications et des variations peuvent être effectuées sans s'écarter de ce qui est considéré comme l'étendue et le sujet de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble d'étanchéité de tête de puits pour réaliser l'étanchéité entre un premier élément tubulaire et un deuxième élément tubulaire dans lequel ledit premier élément tubulaire a un diamètre intérieur et ledit deuxième élément tubulaire a un diamètre extérieur qui est plus petit que ledit diamètre intérieur, lesdits éléments tubulaires étant disposés de telle sorte que ledit deuxième élément tubulaire est positionné, au moins en partie, de maniere généralement concentrique dans ledit premier élément tubulaire de sorte qu'un espace annulaire (18) d'environ ~ une première distance existe entre ledit premier et ledit deuxième élément tubulaire, ledit ensemble d'étanchéité comprenant un corps annulaire (10) en élastomère ayant, en coupe transversale, une forme généralement rectangulaire comprenant une première surface radiale plane, une deuxième surface radiale plane, une surface axiale intérieure, et une surface axiale extérieure; chacune desdites première et deuxième surfaces radiales planes a une extrémité intérieure et une extrémité extérieure; ladite surface axiale intérieure comprend une partie généralement convexe (20) qui s'étend d'une ligne imaginaire reliant ledites extrémités internesdesdites première et deuxième surfaces radiales à une distance plus grande que ladite première distance; ladite surface axiale extérieure comprend une partie généralement concave (22) s'étendant vers l'interieur à partir d'une ligne imaginaire reliant ledites extrémités extérieures desdites première et deuxième surfaces radiales; au moins un élément tubulaire à ressort (24) dans ledit corps (20) en élastomère positionné à l'intersection de chacune desdites surfaces radiales et desdites surfaces axiales intérieures et ayant un diamètre d'au moins environ 1,5 fois ladite première distance. -2. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 1, dans lequel ledit corps (20) en élastomère contient deux éléments annulaires à ressort (24) , chacun positionné respectivement à l'intersection d'une desdites surfaces radiales et de ladite surface axiale intérieure. 3. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 1, dans lequel ladite partie généralement concave (22) et ladite partie généralement convexe (20) sont approximativement du même volume. 4. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 2, dans lequel ladite partie généralement concave (22) et ladite partie généralement convexe (20) sont approximativement du même volume. 5. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 1, dans lequel ladite partie concave (22) s'étend le long d'une partie de ladite surface axiale intérieure entre un point situé à une distance d'environ la longueur du diamètre dudit élément annulaire à ressort (24) a - partir d'une desdites surfaces radiales et l'extrémité intérieure de l'autre desdites surfaces radiales. 6. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 2, dans lequel ladite partie convexe (20) s'étend le long d'une partie de ladite surface axiale intérieure entre deux points, chacun situé à une distance d'environ la longueur du diamètre dudit élément annulaire à ressort (24) à partir respectivement de chacune desdites surfaces radiales. 7. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 1, dans lequel ladite partie concave (22) s'étend le long d'une partie de ladite surface axiale intérieure entre deux points, chacun situé à une distance d'environ la longueur du diamètre dudit élément annulaire à ressort (24) à partir respectivement de chacune desdites surfaces radiales. 8. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 2, dans lequel ladite partie concave (22) s'étend le long d'une partie de ladite surface axiale intérieure entre deux points, chacun situé à une distance d'environ la longueur du diamètre dudit élément annulaire à ressort (24) à partir respectivement de chacune desdites surfaces radiales. 9. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 2, comprenant en outre au moins une saillie annulaire (30) s'étendant radialement à partir de ladite partie convexe (20). 10. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 2, comprenant en outre au moins une saillie annulaire (30) s'étendant radialement à partir de ladite partie convexe (20). 11. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 9, comprenant en outre au moins une saillie annulaire (30) positionnée à chaque extrémité de ladite partie concave (22) s'étendant radialement à partir de ladite surface axiale extérieure. 12. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 10, comprenant en outre au moins une saillie annulaire (30) positionnée à chaque extrémité de ladite partie concave (22) s'étendant radialement à partir de ladite surface axiale extérieure. -13. Ensemble d'étanchéité de tête de puits pour réaliser l'étanchéité entre un premier élément tubulaire (16) et un deuxième élément tubulaire (14) dans lequel ledit premier élément tubulaire (16) a un diamètre intérieur et ledit deuxième élément tubulaire (14) a un diamètre extérieur qui est plus petit que ledit diamètre intérieur, lesdits éléments tubulaires (14, 16) étant disposés tels que ledit deuxième élément tubulaire (14) est positionné, au moins en partie, de manière généralement concentrique dans ledit premier élément tubulaire (16) de sorte qu'un espace annulaire (18) d'environ une première distance existe entre ledit premier (16) et ledit deuxième élément tubulaire (14), ledit ensemble d'étanchéité comprenant un corps annulaire (10) en élastomère ayant, en coupe transversal, une forme généralement rectangulaire comprenant une première surface radiale plane, une deuxième surface radiale plane, une surface axiale intérieure, et une surface axiale extérieure; chacune desdites première et deuxième surfaces radiales planes a une extrémité intérieure et une extrémité extérieure; ladite surface axiale intérieure comprend une partie généralement convexe (20) qui s'étend d'une ligne imaginaire reliant ledites extrémités internes desdites première et deuxième surfaces radiales à une distance plus grande que ladite première distance; ladite surface axiale extérieure comprend une partie généralement concave (22) s'étendant vers l'intérieur à partir d'une ligne imaginaire reliant ledites extrémités extérieures desdites première et deuxième surfaces radiales; au moins un élément tubulaire à ressort (24) dans ledit corps -en élastomère positionné à l'intersection de chacune desdites surfaces radiales et desdites surfaces axiales intérieures et ayant un diamètre compris dans la gamme d'environ 1,5 à 2 fois ladite première distance. 14. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 13, dans lequel ledit corps (10) en élastomère contient deux éléments annulaires à ressort (24), chacun positionné respectivement à l'intersection d'une desdites surfaces radiales et de ladite surface axiale intérieure. 15. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 13, dans lequel ladite partie généralement concave (22) et ladite partie généralement centrale ont approximativement le même volume. 16. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 14, dans lequel ladite partie généralement concave (22) et ladite partie généralement convexe (20) ont approximativement le même volume. 17. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la-revendication 13, dans lequel ladite partie convexe (20) s'étend le long d'une partie de ladite surface axiale intérieure entre un point situé à une distance d'environ la longueur du diamètre dudit élément annulaire à ressort (24) à partir d'une desdites surfaces radiales et l'extrémité intérieure de l'autre desdites surfaces radiales. 18 c Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 14, dans lequel ladite partie convexe (20) s'étend le long d'une partie de ladite surface axiale intérieure entre deux points, chacun situé à une distance d'environ la longueur du diamètre dudit élément annulaire à ressort (24) à partir respectivement de chacune desdites surfaces radiales. 19. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 13, dans lequel ladite partie concave (22) s'étend le long d'une partie de ladite surface axiale intérieure entre deux points, chacun situé à une distance d'environ la longueur du diamètre dudit élément annulaire à ressort (24) à partir respectivement de chacune desdites surfaces radiales. 20. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 14, dans lequel ladite partie concave (22) s'étend le long d'une partie de ladite surface- axiale intérieure entre deux points, chacun situé à une distance d'environ la longueur du diamètre dudit élément annulaire à ressort (24) à partir respectivement de chacune desdites surfaces radiales. 21. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 13, comprenant en outre au moins une saillie annulaire (30) s'étendant radialement à partir de ladite partie convexe (20). 22. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 14, comprenant en outre au moins une saillie annulaire (30) s'étendant radialement à partir de ladite partie convexe (20). 23. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 21, comprenant en outre au moins une saillie annulaire (30) positionnée à chaque extrémité de ladite partie concave (22) s'étendant radialement à partir de ladite surface axiale extérieure. 24. Ensemble d'étanchéité de tête de puits selon la revendication 22, comprenant en outre au moins une saillie annulaire (30) positionnée à chaque extrémité de ladite partie concave (22) s'étendant radialement à partir de ladite surface axiale extérieure.