CH651363A5 - Dispositif d'etancheite resistant a la chaleur et son utilisation pour des tetes de puits de forage. - Google Patents
Dispositif d'etancheite resistant a la chaleur et son utilisation pour des tetes de puits de forage. Download PDFInfo
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Description
L'invention concerne un dispositif d'étanchéité résistant à la chaleur. Ce dispositif peut être utilisé sur les puits de forage.
Sur les plates-formes de production off-shore, les bouches de puits de forage sont disposées entre elles à de courtes distances d'espacement. Les distances entre-axes peuvent être de 2,30 à 3 m. Ces plates-formes sont exposées à de sérieux risques d'incendie, et les dispositifs d'étanchéité prévus entre la bouche du puits et les moyens de suspension du tubage ne sont généralement pas en mesure de résister aux températures résultant d'un incendie à proximité, pendant une période de temps suffisante pour s'assurer que toutes les vannes de sécurité en sous-sol ont été fermées, afin d'empêcher l'échappement de fluide de la bouche du puits qui contribuerait à alimenter l'incendie. En outre, dans bon nombre d'applications, le joint de la tige sur une vanne présente des défauts de fonctionnement lorsqu'il se trouve à proximité d'un foyer d'incendie, ce qui permet au fluide de s'échapper, risquant ainsi de continuer à alimenter ce foyer.
On a étudié et développé des matériaux, tels que celui connu sous la désignation commerciale de Grafoil (marque déposée), capables d'assurer l'étanchéité en cas d'exposition à des températures élevées pendant une durée acceptable. Une forme d'exécution d'un tel matériau est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 4256317. Un ensemble d'étanchéité pour une suspension de tubage, actionné par un piston, est proposé par le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3561527. Un montage à charge élastique appliquée à un ensemble d'étanchéité est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 4561551, qui fait état également de l'utilisation de couches alternées de graphite et de métal à ressort comme éléments d'étanchéité appartenant à un ensemble d'étanchéité. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 1324775 décrit une garniture de presse-étoupe actionnée par un piston, assurant l'étanchéité autour de la tige du piston, des ressorts étant disposés entre le piston et les bagues presse-étoupe. Ces dernières sont creuses et sont réalisées en forme de coin, des bagues métalliques en forme de coin étant montées opposées les unes aux autres entre chaque bague presse-étoupe, cependant que les éléments en forme de coin, coopérant entre eux, tendent à pousser vers l'intérieur les bagues presse-étoupe, à ['encontre de la tige du piston.
Aucun des dispositifs de la technique connue ne permet de disposer d'un ensemble d'étanchéité qui soit en mesure de fournir, lorsqu'il est soumis à un incendie extérieur, une ètanchéité efficace pendant une durée suffisante pour s'assurer que les fluides contenus par l'ensemble d'étanchéité ne s'échappent pas pour alimenter l'incendie.
Le but de l'invention est de fournir un dispositif d'étanchéité résistant à la chaleur et comprenant une bague résistant à la chaleur, des moyens élastiques sollicitant la bague, des moyens sensibles à la pression assurant la mise en place de la bague, ainsi que des moyens de retenue destinés à maintenir la bague en position de montage.
Le dispositif d'étanchéité selon l'invention est défini par la revendication 1 et les avantages de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description ci-après qui sera faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, sur lequel:
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la fig. 1 est une vue en coupe partielle d'un dispositif d'étanchéité selon l'invention installé dans une bouche de puits de forage;
la fig. 2 est une vue du dispositif d'étanchéité représenté à la fig. 1, mais en position de déclenchement;
la fig. 3 est une vue en coupe partielle d'une variante du dispositif d'étanchéité selon l'invention;
la fig. 4 est une vue du dispositif d'étanchéité représenté à la fig. 3, mais en position de déclenchement.
Un dispositif d'étanchéité 10, représenté aux fig. 1 et 2, assure l'étanchéité à la température normale et l'étanchéité aux températures élevées entre un dispositif de suspension de tubage 12 et un élément de bouche ou de tête de puits 14. Une cavité 16, prévue dans cet élément 14, constitue un espace dans lequel le dispositif d'étanchéité 10 est positionné, de manière à assurer l'étanchéité entre l'extérieur du dispositif de suspension de tubage 12 et l'intérieur de l'élément de tête de puits 14. La cavité 16 présente une partie supérieure 18 adjacente à un épaulement 20 qui fait face au bas de l'ensemble, et est d'un diamètre extérieur qui est inférieur au diamètre extérieur de la partie inférieure 22. Des filetages 24 sont prévus sur l'élément de tète de puits 14, en vue de recevoir une bague 26 soumise à une charge, ledit élément étant taraudé de manière à former une butée inférieure pour l'ensemble d'étanchéité 10.
L'ensemble d'étanchéité 10 comprend une bague d'étanchéité 28, une bague 30 résistant à la chaleur, une bague d'entraînement 32, un ressort annulaire 34 comportant une pluralité de bagues, comme représenté, un piston 36 et des moyens de retenue 38. La bague d'étanchéité 28 comporte des lèvres intérieures et extérieures 40, une bague extensible 42 étant insérée entre les lèvres 40 et l'épaulement formant butée 20, comme représenté. Le ressort annulaire 34 constitue un moyen élastique entre la bague sensible à la pression 36 et les bagues 28, 30, exerçant ainsi sur ces derniers une action de rappel en position. Un joint torique 44, prévu dans la partie supérieure à l'intérieur de l'élément 14, assure l'étanchéité sur le pourtour extérieur de l'organe de suspension 12 au-dessus de l'ensemble d'étanchéité 10. La bague 30 est positionnée dans la partie supérieure 18 de la cavité 16 et coopère avec le bord inférieur de la bague 28. La bague d'entraînement 32 coopère avec le bord inférieur de la bague 30 et est sollicitée vers le haut par le ressort annulaire 34. La charge du ressort annulaire 34 est réglée par la position de la bague de charge 26 dans le filetage 24, assurant ainsi une précharge des bagues 28 et 30 par des moyens sensibles à la pression, tels qu'une bague sensible à la pression ou le piston 36 dans sa position inférieure.
Le piston 36 est sensible au fluide sous pression amené par l'orifice 48 prévu dans l'élément 14, vers une position localisée entre ledit piston 36 et un anneau de base 50. Le piston 36 présente une partie supérieure annulaire munie de joints assurant l'étanchéité entre l'intérieur de l'élément de tête de puits 14, dans la cavité 16, et l'extérieur du dispositif de suspension 12, un col 52 s'étendant vers le bas, et une bride 54 s'étendant vers l'extérieur forme trois côtés d'une cavité annulaire 56, dans laquelle se trouve comprimée une bague d'arrêt fendue 58, le piston 36 se trouvant en sa position inférieure. L'élément de base 50 est de forme annulaire et présente des joints appropriés et une lèvre 60 s'étendant vers le haut (vers la gauche des figures du dessin), formant le côté extérieur de la cavité 56, afin de retenir la bague d'arrêt 58 dans ladite cavité 56.
Des moyens de retenue sont prévus pour maintenir le piston 56 dans sa position d'appui, telle que représentée à la fig. 2, et seront décrits ci-après. Lorsque le piston 36 se déplace vers le haut, consécutivement à une pression de fluide provenant de l'orifice 48, ce mouvement déplace la bague d'arrêt 58 vers le haut, à partir de la lèvre 60, et vers l'extérieur, vers sa position de repos, de manière à bloquer le piston 36 en sa position supérieure. Dans cette position, la bague d'arrêt 58 coopère avec l'extrémité supérieure de la lèvre 60 et l'épaulement 62, faisant face au bas de l'ensemble, sur le piston 36.
La montée du piston 36 comprime en outre le ressort annulaire 34, lequel presse la bague d'entraînement 32 vers le haut, mettant en place la bague 30 et la pressant vers le haut, à rencontre de la bague 28, de sorte que la bague extensible 42 se trouve davantage comprimée à l'intérieur des lèvres 40, de façon qu'elles s'appliquent, de manière étanche, à la fois contre l'intérieur de l'élément de tête de puits 14 et contre l'extérieur du dispositif de suspension 12. La charge de compression de la bague 30 entre la bague 28 et la bague d'entraînement 32 la presse de manière à assurer un engagement étanche entre ledit élément 14 et le dispositif de suspension 12.
Le joint 28 et la bague extensible 42 sont fabriqués de préférence en acier inoxydable de la série 300, avec revêtement d'argent. La bague 30 est en un matériau approprié, capable de maintenir l'étanchéité, même lorsque l'ensemble d'étanchéité est soumis à des températures atteignant 677° C. Un matériau présentant de telles propriétés est un matériau de garniture en graphite, le Grafoil (brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3404061). Le ressort annulaire 34 est de préférence fabriqué en Inconel 718. Les joints dans le piston 36 et l'anneau de base 50 sont en Molythane. La bague de retenue 58 est de préférence en acier 4140.
Un orifice 64 s'étend à travers l'élément de tête de puits 14 et est en communication avec la cavité 16 dans un épaulement 20. Un orifice 66 s'étend à travers la tête de puits 14, de manière à communiquer avec la cavité annulaire 68 dans la bague 28. Un orifice 70 s'étend à travers la tête de puits 14, de manière à communiquer avec la cavité 16 dans la zone dans laquelle le ressort annulaire 34 est positionné.
Les bagues étant amenées en position par actionnement du piston 36, la pression est libérée, la liaison d'alimentation de pression à l'orifice 48 est supprimée, cependant qu'un détecteur inséré dans l'orifice 48 permet de déterminer si le piston 36 s'est déplacé suffisamment pour libérer la bague de retenue 58 qui, dans sa position de verrouillage, recouvre l'extrémité intérieure de l'orifice 48, de sorte que le détecteur ne peut se déplacer dans l'intervalle compris entre l'épaulement 62 et l'extrémité de la lèvre 60. Pour s'assurer que la bague 28 est efficacement étanche, une pression est exercée à l'orifice 64, et l'orifice 66 est soumis à un contrôle d'étanchéité. Pour contrôler si l'étanchéité de la bague 30 est efficace, une pression est appliquée par l'orifice 66, et l'orifice 70 est soumis à un contrôle d'étanchéité.
Une variante d'exécution de l'ensemble d'étanchéité perfectionné selon l'invention est représentée à la fig. 3. L'ensemble d'étanchéité 110 est identique à l'ensemble d'étanchéité 10 excepté que la structure des moyens de retenue 112 est differente de la structure des moyens de retenue 38. Les moyens de retenue 112 comprennent un collet 114 d'un piston 116, présentant une denture extérieure 118, des segments de retenue 120 présentant une denture intérieure 122 coopérant avec la denture 118, et des ressorts 124 tendant à pousser les segments 120 vers le haut. Chaque segment 120 présente une lèvre 126 s'étendant intérieurement, qui s'engage dans la cavité 128, entre la lèvre 130 et le corps 132 de l'anneau de base 134. Les dentures 116 et 120 présentent une face inclinée et une face radiale,
comme représenté, de sorte que l'actionnement du piston 114 provoque un déplacement relatif entre le collet 112 et les segments 118, ces derniers étant en prise extérieurement par les côtés inclinés des dents engagées, jusqu'à ce que le déplacement du piston 114 s'arrête et que les segments 118 se déplacent ensuite intérieurement vers la position représentée à la fig. 4, les faces radiales se trouvant en prise pour empêcher le retour du piston 114, une fois que la pression qui s'exerce sur ce dernier s'est relâchée. Un type similaire de moyens de retenue ou d'encliquetage est utilisé avec un ensemble d'étanchéité pour retenir les bagues en différentes positions expansées, en réponse à une force appliquée vers le bas sur ces bagues. Dans cette variante d'exécution, les bagues sont disposées de la manière préalablement décrite à propos de la forme d'exécution représentée aux fig. 1 et 2.
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Claims (6)
1. Dispositif d'étanchéité, assurant l'étanchéité entre deux éléments cylindriques concentriques, dans lequel l'un des éléments présente une cavité annulaire (16) servant de logement au dispositif d'étanchéité, afin de permettre un engagement étanche avec l'autre élément, caractérisé en ce qu'il comprend une bague d'étanchéité résistant à la chaleur (30) et une bague sensible à la pression (28), positionnée dans ladite cavité, des moyens (48) d'amenée d'un fluide sous pression à la bague sensible à la pression, la bague sensible à la pression (28) étant agencée de façon à déplacer, lorsqu'elle est soumise à l'action du fluide sous pression en provenance des moyens d'amenée (48), la bague d'étanchéité vers une position d'ajustement, des moyens de retenue (38) de la bague sensible à la pression en sa position d'ajustement, et des moyens élastiques (34) disposés entre la bague sensible à la pression (28) et la bague d'étanchéité (30), en vue de maintenir une force d'obturation sur la bague d'étanchéité, après actionnement et verrouillage de la bague sensible à la pression.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de retenue (38) comprennent une bague de retenue (58) et des moyens coopérant avec la bague sensible à la pression dans sa position non opérante, en vue de maintenir la bague de retenue (58) en position non verrouillée, tout en dégageant la bague de retenue, une fois le déplacement achevé, de la bague sensible à la pression en position d'actionnement pour la déplacer en position verrouillée retenant les moyens sensibles à la pression en position d'actionnement.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bague de retenue (58) est positionnée dans la cavité délimitée sur trois côtés par la bague sensible à la pression et délimitée par une lèvre en saillie (60) par-dessus la cavité, lorsque la bague sensible à la pression est en position inopérante, et en ce que la cavité dans la bague sensible à la pression est agencée de façon à se dégager de la lèvre (60) pour permettre le mouvement de verrouillage de la bague de retenue.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de retenue comprennent un collet (114) prévu sur la bague sensible à la pression et muni d'une denture (118) dont les dents présentent des faces inclinées et des faces radiales, une pluralité de segments (120) munis d'une denture (122) coopérant avec la denture du collet, des moyens élastiques (124) sollicitant la denture des segments de façon qu'elle soit en prise avec la denture du collet, et des moyens empêchant le déplacement des segments lorsque la bague sensible à la pression est déplacée en position d'actionnement, le tout étant agencé de façon que les bords inclinés de la denture en prise avec les segments se dégagent du collet lorsque la bague sensible à la pression se déplace et reviennent en prise pour maintenir la bague sensible à la pression et les bagues d'étanchéité en position d'ajustement.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bague d'étanchéité (28) sensible à la pression présente des lèvres (40) intérieure et extérieure divergentes, s'étendant dans une direction opposée à la direction dans laquelle la pression est exercée sur cette bague, une bague extensible (42) étant positionnée entre les lèvres et fermant une extrémité de la cavité, en ce que la bague (30) résistant à la chaleur prend appui bout à bout avec la bague d'étanchéité (28), une bague d'entraînement (32) s'appliquant sur l'autre extrémité de la bague (30) résistant à la chaleur, en ce que les moyens élastiques (34) comprennent une pluralité de bagues mutuellement en contact, l'une des bagues élastiques étant en contact avec l'extrémité de la bague d'entraînement (32) et en ce qu'il comprend un piston (36) présentant une rainure annulaire extérieure et positionné en contact avec l'une des bagues élastiques, un anneau de base (50) présentant une lèvre (60) recouvrant au moins partiellement la rainure annulaire lorsque le piston vient en contact avec l'anneau de base, une bague de retenue (58) disposée dans la rainure et pouvant prendre un plus grand diamètre que la rainure annulaire lorsqu'elle est libre de se mouvoir, une bague de réglage (26) destinée à être vissée sur la tête d'un élément tubulaire et s'appliquant contre l'anneau de base,
de façon que l'ensemble-soit initialement soumis à une charge, et un passage communiquant avec la rainure annulaire, entre le piston (36) et l'anneau de base (50), une pression de fluide pouvant être exercée dans le passage et actionnant le piston (36) de manière à l'éloigner de l'anneau de base (50) afin d'achever l'insertion des bagues d'étanchéité et la mise en charge de la bague élastique, le piston (36), durant son actionnement, se déplaçant d'une distance suffisante pour dégager la bague de retenue (58) de la lèvre (60) de l'anneau de base (50) de façon que la bague de retenue se dilate pour empêcher le mouvement de retour du piston vers l'anneau de base.
6. Utilisation du dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, pour assurer l'étanchéité entre l'intérieur d'un élément de tête de puits de forage et l'extérieur d'un élément tubulaire.
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