Brevet FR2717880A1 — publié le 19950929

Cette invention se rapporte à des joints destinés à être utilisés entre des éléments de tube engagés de manière télescopique tels que des tubages et des têtes de puits de pétrole, et plus particulièrement à des joints en élastomère conçus pour assurer l'étanchéité des éléments de tube engagés conçus avec des tolérances relativement larges. Des joints destinés à être utilisés par exemple dans des tubages et des têtes de puits doivent pouvoir supporter des conditions de température et de pression élevée tout en assurant une étanchéité efficace entre une tête de puits et une surface de tubage rugueuse. Du fait des tolérances relativement larges, et du fait que le tubage est souvent excentré par rapport à un alésage de tête de puits, un espace relativement important peut être créé entre le tubage et la tête de puits. Pour les mêmes raisons, un espace relativement faible peut apparaître. Il est ainsi nécessaire d'avoir un joint versatile qui accepte une surface de tubage rugueuse et des tailles d'espace variables entre des éléments de tube. Certains joints utilisés dans des applications pétrolières sont conçus principalement pour des conditions statiques dans des forages de puits, par exemple entre des têtes de puits et des éléments de suspension. Ces joints comportent un corps de joint annulaire en élastomère dans lequel sont noyés plusieurs ressorts métalliques annulaires destinés à assurer un support et des propriétés anti-extrusion. Les ressorts sont disposés de manière typique afin d'empêcher un contact direct avec ou un frottement sur les surfaces d'étanchéité pendant l'installation. De manière occasionnelle cependant, les ressorts peuvent se séparer du corps de joint en élastomère du fait de la friction entre le corps en élastomère et les surfaces d'étanchéité en métal, ou du fait de l'aspiration ou de courants développés alors que les joints déplacent différents fluides. Si les ressorts métalliques se séparent du joint, ils peuvent rester coincés dans une crevasse d'un alésage de puits et peuvent endommager des surfaces d'alésage ou d'éléments de suspension. Le ressort métallique est habituellement plus dur que la matière en acier de la tête de puits. Le ressort peut ainsi gratter, couper ou rayer les surfaces. Un autre endommagement peut être attribué à la perte du ressort, qui amène le corps de joint en élastomère à être vulnérable à l'extrusion et conduire ainsi à une détérioration rapide du corps de joint en élastomère sous l'effet de la pression. En outre, si des particules de ressort métallique tombent dans l'alésage de puits, elles peuvent provoquer un endommagement similaire aux outils et aux instruments dans l'alésage. La présence des ressorts métalliques peut également provoquer une corrosion galvanique de différents composants. Pour les raisons ci-dessus, il existe une demande pour un dispositif sans extrusion pour un corps de joint qui est suffisamment résistant pour résister à des pressions et des températures élevées et maintenir une liaison forte avec le corps de joint en élastomère; qui est plus souple que la matière de base des composants de tête de puits afin d'empêcher les rayures; et qui n'est pas métallique afin d'éviter une corrosion galvanique. La présente invention comprend un corps de joint en élastomère annulaire ayant une section globalement rectangulaire comprenant au moins un élément de ressort non métallique annulaire noyé dedans. La surface circonférentielle interne du corps de joint a une partie globalement convexe qui s'étend radialement vers l'intérieur. L'élément ou les éléments de ressort sont positionnés globalement tangentiellement à l'intersection de la surface circonférentielle interne avec chacune des surfaces radiales du corps de joint afin de procurer un support à la partie convexe et des propriétés anti-extrusion au corps de joint. La figure 1 est une vue partielle d'une première forme de réalisation du joint logé dans une gorge dans une tête de puits et s'étendant en contact avec un tubage. La figure 2 est une vue partielle d'un élément de ressort non métallique annulaire constitué d'un filament en forme de ruban bobiné continu. La figure 3 est une vue partielle d'une deuxième forme de réalisation du joint logé dans une gorge dans une tête de puits et s'étendant en contact avec un tubage. L'ensemble de joint de la présente invention représenté sur la figure 1 comprend un corps de joint annulaire 10 logé dans une gorge annulaire 12 d'une tête de puits 14 dans laquelle est positionné un tubage 16. Le corps de joint 10 a une forme globalement rectangulaire en coupe, avec une surface radiale supérieure 11 et une surface radiale inférieure 13. Un espace 18 existe entre la tête de puits 14 et le tubage 16. L'espace 18 peut être attribué à des tolérances de fabrication ou à un positionnement excentré du tubage 16 par rapport à la tête de puits 14. Le corps de joint annulaire 10 est réalisé en élastomère ou dans une autre matière appropriée ayant des propriétés similaires. L'ensemble d'étanchéité comporte en outre une partie convexe centrale 20 sur la surface axiale interne du corps de joint 10 qui s'étend radialement vers l'intérieur depuis une ligne imaginaire coupant les extrémités radialement internes des surfaces radiales 11, 13. La partie convexe centrale 20 s'étend sur une distance plus importante que l'espace 18 de sorte que, lorsqu'elle est positionnée dans la tête de puits 14 recevant le tubage 16, la partie convexe 20 s'étend à travers l'espace 18 et se comprime contre la paroi extérieure du tubage 16. Au moins un élément de ressort annulaire non métallique 22 est noyé dans le corps en élastomère 10. La forme de réalisation préférée de la figure 1 montre deux de ces éléments de ressort 22. Les éléments de ressort annulaires 22 sont positionnés à l'intersection d'une des surfaces circonférentielles du corps de joint, de préférence la surface circonférentielle interne 24, avec chacune des surfaces radiales 11, 13. Les éléments de ressort annulaires 22 fonctionnent en tant qu'éléments anti-extrusion et procurent un support pour la partie convexe étendue 20. Les éléments de ressort 22 améliorent la résistance du corps de joint à la déformation au niveau de la jonction de la partie convexe 20 et du corps de joint 10 lorsque la partie convexe 20 est soumise à un moment et à des forces de compression. Les éléments de ressort annulaires non métalliques 22 sont réalisés en matières plastiques composites qui se collent fortement sur le corps de joint en élastomère 10 et sont plus souples que les matières de surface de joint afin d'éliminer le risque de rayure ou d'un autre endommagement des surfaces de joint ou d'autres surfaces de la tête de puits 14 et du tubage 16, ou d'outils de mise en place. De plus, les éléments de ressort non métalliques 22 éliminent le risque de corrosion galvanique des différents composants. Comme cela est représenté sur la figure 2, chaque élément de ressort 22 est constitué par un filament continu en forme de ruban 23 qui est bobiné afin de former un ressort de traction. Le filament 23 est à base de matière plastique, de graphite ou de fibres de verre, incluant le " KEVLAR " et le polyéther- éther-cétone. Ils peuvent être à un seul ou à plusieurs brins et composés d'éléments singuliers ou tressés. Chaque ressort 22 peut également être constitué de bobinages à plusieurs brins ou de ressorts tressés. Les ressorts finis peuvent être coupes aux longueurs requises et reliés aux extrémités afin de créer des formes de ressort annulaire et moulés ensuite dans le corps de joint en élastomère 10. La figure 3 illustre une deuxième forme de réalisation de l'invention essentiellement similaire à la forme de réalisation représentée sur la figure 1, excepté qu'un seul élément de ressort 22 est utilisé. Bien que le meilleur mode de réalisation de la présente invention ait été représenté et décrit ici, il est évident que des modifications et des variantes peuvent être apportées sans sortir de la portée de l'invention. REVENDICATIONS 1. Ensemble de joint de tête de puits destiné à assurer l'étanchéité entre un premier élément de tube (14) et un deuxième élément de tube (16), ledit premier élément de tube (14) ayant un diamètre intérieur et ledit deuxième élément de tube (16) ayant un diamètre extérieur qui est inférieur audit diamètre intérieur, lesdits éléments de tube (14, 16) étant disposés de telle sorte que ledit deuxième élément de tube (16) est positionné de manière globalement concentrique dans ledit premier élément de tube (14) de sorte qu'un espace annulaire (18) d'approximativement une première distance existe entre lesdits premier et deuxième éléments de tube (14, 16), caractérisé en ce que ledit ensemble de joint comporte un corps en élastomère annulaire (10) ayant, en coupe, une forme globalement rectangulaire comportant une première surface radiale plate (11), une deuxième surface radiale plate (13), une surface circonférentielle interne (24), et une surface circonférentielle externe; ladite surface circonférentielle interne (24) comporte une partie globalement convexe (20) qui s'étend depuis un plan imaginaire reliant le bord circonférentiel interne de chacune desdites première et deuxième surfaces radiales (11, 13); ledit ensemble de joint comporte en outre au moins un élément de ressort non métallique annulaire (22) dans ledit corps en élastomère (10) positionné de manière globalement tangentielle aux deux plans définissant l'intersection de chacune desdites surfaces radiales (11, 13) avec l'une desdites surfaces circonférentielles interne ou externe. 2. Ensemble de joint de tête de puits selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps en élastomère (10) contient deux éléments de ressort annulaires (22), positionnés chacun de manière respective globalement tangentiellement aux deux plans définissant l'intersection d'un des surfaces radiales (11, 13) avec ladite surface circonférentielle interne (24) ou ladite surface circonférentielle externe. 3. Ensemble de joint de tête de puits selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite partie convexe (20) s'étend le long d'une surface annulaire de ladite surface circonférentielle interne (24) qui se trouve entre une distance d'approximativement la longueur du diamètre en coupe ou épaisseur dudit élément de ressort annulaire (22) depuis chacun desdits bords circonférentiels internes desdites surfaces radiales. 4. Ensemble de joint de tête de puits selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de ressort non métallique annulaire (22) comporte un filament en forme de ruban bobiné continu (23). 5. Ensemble de joint de tête de puits selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit élément de ressort non métallique annulaire (22) se compose essentiellement d'une matière plastique technique. 6. Ensemble de joint de tête de puits selon la revendication 4, caractérisé en ce que la composition de matière dudit élément de ressort non métallique annulaire (22) comprend du graphite. 7. Ensemble de joint de tête de puits selon la revendication 4, caractérisé en ce que la composition de matière dudit élément de ressort non métallique annulaire (22) comprend des fibres de verre. 8. Ensemble de joint de tête de puits selon la revendication 4, caractérisé en ce que la composition de matière dudit élément de ressort non métallique annulaire (22) comprend du polyéther-éther-cétone.