CH650834A5

CH650834A5 - Bloc obturateur et obturateur annulaire pour puits de forage.

Info

Publication number: CH650834A5
Application number: CH6604/82A
Authority: CH
Inventors: Robert Joseph Turlak; Bolie Calvin Williams Iii; Gary Ronald Schaeper
Original assignee: Cameron Iron Works Inc
Priority date: 1981-12-28
Filing date: 1982-11-12
Publication date: 1985-08-15
Also published as: JPH0317998B2; NZ202366A; GB2112431B; SG82785G; US4460150A; FR2519065A1; NO164192C; DE3245166A1; NL190876B; JPS58195689A; AT382205B; AU9061982A; CA1195608A; FR2519065B1; AU547144B2; NL190876C; DE3245166C2; MX156724A; NO824386L; ATA464582A

Description

L'invention a pour but d'obtenir un bloc obturateur annulaire de construction simple et d'une durée de service relativement longue. A cet effet, le bloc obturateur selon l'invention comprend:

— un corps annulaire présentant une chambre annulaire axiale et des orifices traversant le corps en des extrémités opposées de la chambre;

— des moyens formant, à l'intérieur du corps, un épaulement en saillie intérieure et dirigé vers le bas;

— un obturateur annulaire dont une extrémité prend appui contre l'épaulement et comprenant un anneau élastique déformable présentant une pluralité d'éléments d'insertion formant un diaphragme encastrés dans l'extrémité supérieure de l'anneau élastique et s'amincissant vers le haut et vers l'extérieur de façon que leurs extrémités internes présentent une épaisseur accrue qui s'étend partiellement sur la longueur de l'anneau, sur sa périphérie interne, sur une distance inférieure à la longueur axiale de l'anneau, lorsque ce dernier est complètement déformé, et

— un piston annulaire disposé dans la chambre annulaire et comportant un bras qui est en prise avec l'extrémité de l'obturateur opposée à l'extrémité en contact avec l'épaulement, une application alternée de pression aux extrémités opposées de la chambre annulaire déplaçant le piston à l'encontre de l'obturation, de manière à le déformer entre le piston et l'épaulement en une position intérieure d'obturation étanche et déplaçant le piston en sens inverse pour permettre à l'obturateur de se détendre vers sa position d'ouverture.

L'invention a également pour objet un obturateur pour le bloc obturateur qui est agencé tel que défini par la revendication 4.

Les avantages de l'invention seront décrits ci-après plus en détail, en se référant à titre d'exemple au dessin annexé, sur lequel:

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— la fig. 1 est une vue en élévation partielle et en coupe partielle du bloc obturateur annulaire selon l'invention, muni de son obturateur en position ouverte;

— la fig. 2 est une vue en plan de l'obturateur en position ouverte;

— la fig. 3 est une vue analogue à la fig. 2, l'obturateur étant en position fermée;

— la fig. 4 est une vue en coupe partielle, suivant la ligne 4-4 de la fig. 2;

— la fig. 5 est une vue analogue à la fig. 1, mais représentant l'obturateur en position fermée;

— la fig. 6 est une vue en plan, à plus grande échelle, représentant deux éléments d'insertion afin d'illustrer leur engagement mutuel.

Le bloc obturateur annulaire 10, représenté aux fig. 1 et 5, comprend un corps annulaire 12, traversé par un alésage vertical 13, un piston annulaire 14, une bague de retenue 16, une bague de blocage 18 et un obturateur 20. Le corps 12 comprend une bride inférieure 22 reliée à un col 24, un rebord annulaire 26 s'étendant vers le haut à partir du col 24, et une partie annulaire extérieure 28 du corps, qui s'étend radialement vers l'extérieur à partir du col 24 et vers le haut, sur le pourtour et à distance du rebord 26. Une chambre 30 est formée par l'espace annulaire compris entre le rebord 26 et la partie 28 se trouvant en dessous de l'extrémité inférieure de la bague de retenue 16. Le piston 14 est positionné de manière à pouvoir se déplacer partiellement à l'intérieur de la chambre 30. Un passage 32 s'étend au travers de la partie 28 du corps, vers la chambre 30 et permet d'envoyer du fluide sous pression à la base du piston 14, provoquant ainsi son déplacement vers le haut, et d'expulser le fluide lorsque le piston 14 se déplace vers le bas. Un passage 34 s'étend au travers de la partie 28 du corps vers la chambre 30 afin d'envoyer du fluide sous pression sur le haut du piston 14, provoquant ainsi son déplacement vers le bas, et d'expulser le fluide lorsque le piston 14 se déplace vers le haut.

L'obturateur 20 de forme annulaire est positionné dans un logement 37 formé entre un épaulement 36 de la bague de retenue 16 et l'extrémité supérieure d'un bras annulaire 38 appartenant au piston 14. L'obturateur 20 est engagé, à son extrémité inférieure, par le bras annulaire 38 du piston 14. De cette façon, lorsque le piston 14 se déplace vers le haut, son bras 38 exerce une force axiale sur l'obturateur 20. L'épaulement 36 empêche le déplacement de l'obturateur 20 vers le haut, cependant que la surface intérieure 40 de la bague de retenue 16 empêche le déplacement radial extérieur de l'obturateur 20, de sorte que l'obturateur se déplace vers sa position fermée ou d'obturation étanche, comme représenté à la fig. 5.

L'obturateur 20 représenté plus en détail aux fig. 2, 3, 4 et 6, comprend un anneau élastique 42, une série circulaire supérieure d'éléments d'insertion rigides 44 agencés, liés et encastrés dans la surface supérieure de l'anneau 42, ainsi qu'une série circulaire inférieure d'éléments d'insertion rigides 46, liés à la surface inférieure de l'anneau 42 et encastrés dans cet anneau. Les éléments d'insertion rigides 44 sont de forme triangulaire en plan et sont effilés vers le haut et vers l'extérieur, de façon que leurs extrémités internes soient plus épaisses que les extrémités externes. Les extrémités internes des éléments d'insertion 44 sont suffisamment longues pour assurer leur déplacement vers l'intérieur, conjointement au déplacement de l'anneau 42, ainsi que leur pivotement vers l'intérieur, comme repré650 834

senté à la fig. 3. Dans la position ouverte détendue de l'anneau, telle que représentée à la fig. 2, les éléments d'insertion triangulaires 44 sont orientés obliquement par rapport à l'axe de l'obturateur et en contact entre eux de sorte que, lorsque le piston annulaire 14 se déplace vers sa position de fermeture, comme représenté à la fig. 3, les éléments d'insertion 44 sont entraînés en rotation à la façon d'un diaphragme, en des positions moins obliques tout en se déplaçant vers l'intérieur. Cela accroît le soutien de l'anneau, par accroissement des longueurs radiales efficaces (c'est-à-dire des étendues radiales) des éléments d'insertion.

Des éléments d'insertion rigides 46 peuvent être les mêmes que les éléments 44, sauf qu'ils peuvent être l'inverse desdits éléments 44, de façon qu'ils aient le même mouvement relatif que les éléments 44. Il y a lieu de penser que l'utilisation d'éléments d'insertion rigides 46 qui soient identiques aux éléments 44 peut être avantageuse. Lors de l'actionnement, la rotation opposée des éléments 46 à partir des éléments 44 impartira une légère torsion à l'anneau 42. On admet que cette torsion de l'anneau 42 assiste ce dernier lors de l'ouverture.

Comme précédemment décrit, le déplacement de l'anneau élastique 42, lorsqu'il est axialement déformé, provoque un mouvement de pivotement des éléments 44, ce qui assure le maintien de l'extrémité supérieure de l'anneau élastique 42. Ce déplacement des corps 48 peut être désigné sous le nom d'effet de diaphragme, du fait qu'il provoque une réduction du diamètre du support efficace par les éléments 44. Les éléments 46 ont un effet similaire.

Chacun des éléments d'insertion 44 présente une cavité 48 sur un côté et une saillie 50 sur l'autre côté. La cavité 48 se termine à proximité de l'extrémité interne des éléments 44 pour former un épaulement 52, lequel est engagé par l'extrémité interne de la saillie adjacente 50, lorsque l'un des éléments se trouve plus en saillie intérieurement que son élément adjacent. On obtient de cette manière un moyen permettant de supporter uniformément la partie supérieure de l'anneau élastique 42, lorsque ce dernier est fermé sur un tube ou sur lui-même.

Durant les opérations normales de forage, le piston 14 est en bas de sa course et l'obturateur 20 est détendu, ce qui permet d'obtenir un trou complet qui est au moins d'aussi grand diamètre que l'alésage 13, tel que représenté à la fig. 1. Lorsqu'on veut que le bloc obturateur 10 soit fermé, le fluide sous pression est envoyé par le passage 32 dans la chambre 30, le passage 34 étant mis en communication avec une sortie appropriée (non représentée). Il s'ensuit que le piston 14 se déplace vers le haut de sorte que le bras 38 déforme axialement l'obturateur 20. Cette déformation entraîne le déplacement de l'anneau 42 vers l'intérieur, comme représenté à la fig. 5. En outre, les éléments d'insertion 44 et 46 pivotent et se déplacent radialement vers l'intérieur pour prendre la position représentée à la fig. 3. en vue d'accroître le maintien de la partie centrale de l'anneau 42. La détente de l'anneau 42 est obtenue en relâchant la pression du fluide sous le piston 14, par le passage 32, et en appliquant le fluide sous pression au-dessus du piston 14, par le passage 34. Il s'ensuit que le piston 14 se déplace vers la position représentée à la flg. 1, ce qui permet à l'obturateur 20 de reprendre sa position d'ouverture complète.

Comme représenté, l'extrémité interne de chaque saillie 50 vient en contact avec l'épaulement 52 à l'extrémité de la cavité adjacente 48, assurant ainsi un positionnement de forme générale circulaire des extrémités internes des éléments d'insertion 44 et 46, lorsque l'obturateur 20 est fermé.

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Claims

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REVENDICATIONS

1. Bloc obturateur annulaire, caractérisé en ce qu'il comprend:

— un corps annulaire (12) présentant une chambre annulaire axiale (30) et des orifices (32, 34) traversant le corps en des extrémités opposées de la chambre (30),

— des moyens (16, 18) formant, à l'intérieur du corps, un épau-lement (36) en saillie intérieure et dirigé vers le bas;

— un obturateur annulaire (20) dont une extrémité prend appui contre l'épaulement (36) et comprenant un anneau élastique (42) dé-formable présentant une pluralité d'éléments d'insertion (44)

formant un diaphragme encastrés dans l'extrémité supérieure de l'anneau élastique (42) et s'amincissant vers le haut et vers l'extérieur de façon que leurs extrémités internes présentent une épaisseur accrue qui s'étend partiellement sur la longueur de l'anneau, sur sa périphérie interne, sur une distance inférieure à la longueur axiale de l'anneau (42), lorsque ce dernier est complètement déformé, et

— un piston annulaire (14) disposé dans la chambre annulaire (30) et comportant un bras (38) qui est en prise avec l'extrémité de l'obturateur (20) opposée à l'extrémité en contact avec l'épaulement (36), une application alternée de pression aux extrémités opposées de la chambre annulaire (30) déplaçant le piston (14) à rencontre de l'obturateur (20), de manière à le déformer entre le piston et l'épaulement en une position intérieure d'obturation étanche et déplaçant le piston en sens inverse pour permettre à l'obturateur (20) de se détendre vers sa position d'ouverture.
2. Bloc obturateur annulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant un engagement mutuel entre les éléments d'insertion adjacents (44), afin de déplacer uniformément leurs extrémités intérieures vers une position d'appui, lorsque l'anneau (42) est déformé.
3. Bloc obturateur annulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des éléments d'insertion (44) comprend une cavité (48) s'étendant sur un côté de l'élément et se terminant dans un épaulement, à distance de l'extrémité interne de l'élément, et une saillie (50) s'étendant sur l'autre côté de l'élément, les saillies étant positionnées dans la cavité de l'élément adjacent et susceptibles de coopérer avec l'épaulement de l'élément adjacent, à l'extrémité interne de la cavité, de manière à permettre un déplacement uniforme des éléments vers l'obturateur (20).
4. Obturateur annulaire pour un bloc obturateur selon la revendication 1, présentant des moyens permettant sa compression axiale, caractérisé en ce qu'il comprend un anneau élastique (42) déforma-ble présentant une pluralité d'éléments d'insertion (44) formant un diaphragme encastrés dans l'extrémité supérieure de l'anneau élastique et s'amincissant vers le haut et vers l'extérieur de façon que leurs extrémités internes présentent une épaisseur accrue s'étendant partiellement sur la longueur de l'anneau (42), sur sa périphérie interne, sur une distance inférieure à la longueur axiale de l'anneau, lorsque ce dernier est complètement déformé.
5. Obturateur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens assurant un engagement mutuel entre des éléments d'insertion adjacents (44), en vue de déplacer uniformément leurs extrémités internes vers une position d'appui, lorsque l'anneau (42) est déformé.
6. Obturateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacun des éléments d'insertion (44) comprend une cavité (48) s'étendant sur un côté de l'élément et se terminant dans un épaulement, à distance de l'extrémité interne, et une saillie (50) s'étendant sur l'autre côté de l'élément, les saillies (50) étant positionnées dans la cavité (48) de l'élément d'insertion adjacent et capables de coopérer avec l'épaulement (36) à l'extrémité interne de la cavité sur l'élément adjacent, lorsque l'extrémité interne d'un élément se déplace vers l'intérieur, d'une distance plus grande que l'élément adjacent, et lorsque les éléments d'insertion (44) se déplacent vers leurs positions internes, de façon que l'engagement de la saillie (50) avec l'épaulement (36) permette un déplacement intérieur uniforme des éléments vers une position d'appui, à l'intérieur de l'anneau.

Les blocs obturateurs sont utilisés pour régulariser la pression dans les puits de pétrole et de gaz, au cours du forage et de l'achèvement de ces puits. Les blocs obturateurs annulaires comprennent une garniture élastique annulaire simple, disposée à l'intérieur d'un corps présentant des moyens permettant à cette garniture de se déplacer pour être engagée de manière étanche avec une partie d'une colonne de tubage s'étendant à travers le bloc obturateur ou contre celui-ci de manière à obturer hermétiquement un puits lorsque aucune colonne de tubage ne traverse ledit bloc obturateur.

Un bloc obturateur annulaire est illustré et décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3572627 (Jones et collaborateurs). L'obturateur annulaire présente un anneau élastique avec une série circulaire d'éléments d'insertion rigides s'étendant à travers l'obturateur et munis de rebords terminaux à diaphragme aux deux extrémités, qui se déplacent pour fournir un support d'extrémité de l'anneau élastique lorsqu'il est comprimé radialement vers l'intérieur au moyen de pistons. Ces pistons sont positionnés sur le pourtour de l'anneau élastique de manière à exercer une force radiale dirigée directement vers l'intérieur sur l'anneau élastique. D'autres blocs obturateurs annulaires utilisent une déformation axiale de l'anneau élastique, de façon à le déplacer radialement vers l'intérieur en des positions d'obturation étanche. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N°s 4099699, 2287205, 3667721, 3223773, 2148844, 2812197 et 2287178 sont des exemples de blocs obturateurs annulaires de la technique connue.

L'application d'une force axiale sur l'anneau élastique d'un bloc obturateur annulaire est plus simple et moins coûteuse que l'application d'une force radiale relativement uniforme sur l'anneau élastique. L'utilisation d'une force axiale avec l'anneau élastique du brevet précité de Jones et collaborateurs ne serait pas appropriée, du fait que les éléments d'insertion rigides empêcheraient une déformation axiale de l'anneau.

On désire toutefois, dans le cas où une telle force axiale est exercée sur l'anneau élastique, que les éléments d'insertion supérieurs, tels que représentés dans la demande de brevet US N° 06/ 137549, présentent un effet de diaphragme pour déplacer vers l'intérieur leurs extrémités internes afin de constituer un support pour une partie de l'anneau élastique se déplaçant intérieurement en position d'obturation étanche.