Brevet FR2289820A1 — publié le 19760528

La présente invention se rapporte à une vanne de sécurité hydraulique pour puits d'exploitation d'un fluide à haute pression pour laquelle le dispositif d'égalisation de la pression au dessus avec la pression au dessous de la vanne comporte deux moyens de sécurité distincts. On connaît divers types de vannes de sécurité hydrauliques susceptibles d'etre mises en place dans les tubages de production de diamètres internes usuels, c'est-à-dire jusqu'à cent cinquante millimètres. La fermeture du puits, lorsqu'une urgence se présente, est obtenue soit par rabattement d'un clapet, soit par rotation d'un boisseau sphérique. La fermeture par clapet utilise des dispositifs mécaniques plus simples que la fermeture par boisseau sphérique, aussi,est-elle préférée pour le traitement des problèmes difficiles; qui, notamment pour les puits à gaz, sont constitués par les pressions élevées, les débits très importants, et les effluents corrosifs. L'étude d'une vanne de sécurité hydraulique pour puits à gaz en haute mer, pour production très importante, c'est-à-dire avec un diamètre de tubage de production supérieur à 150 millimètres à conduit à étudier une vanne à clapet commandée hydrauliquement et équipée d'un dispositif d'égalisation présentant les garanties maximales de sécurité. Avec les différents types de vannes de sécurité hydrauliques connus, un seul moyen d'étanchéité est prévu sur le passage d'égalisation, il est généralement constitué par une portée circulaire dont le diamètre est sensiblement celui de la-vanne ; dans ces conditions il n'est pas possible d'attribuer la responsabilité du maintien de la pression au dessus de la vanne après fermeture, à une fermeture imparfaite du clapet ou à une fuite du dispositif d'égalisation. Une vanne de sécurité hydraulique munie du dispositif d'égalisation suivant l'invention, mettant à la suite deux moyens d'étanchéité distincts sur le passage d'égalisation présente les risques les plus réduits de non étanchéité, elle permet de localiser une fuite si elle est attribuable au premier moyen d'étanchéité, qu'il y ait fuite au clapet principal ou non, et autorise uneăppréciation sur l'origine d'une élévation anormale de la pression au dessus de la vanne. La simplicité des mécanismes mis en jeu conduit en outre à une réduction appréciable de la lon gueur et du poids de la vanne par rapport aux autres réalisations, ce qui permet de continuer de mettre en place à l'aide d'un fil d'acier, des vannes ancrables dans les tubages d'un diamètre supérieur à 150 millimètres. La vanne de sécurité hydraulique selon l'invention, pour puits d'exploitation d'un fluide à haute pression, suspendue, par le moyen d'un outil d'ancrage à l'intérieur d'un raccord de tubage, comporte - un corps extérieur muni de deux étanchéités disposées de part et d'autre d'un orifice, ménagé à travers la partie supérieure du dit corps extérieur pour le passage d'un fluide hydraulique de commande, - une cage de clapet fixée à la partie inférieure du corps exté rieur et sur laquelle sont assemblés un clapet mobile autour d'un axe horizontal et muni d'un ressort de rappel et un siège de clapet, - un tube intérieur, coulissant dans le corps extérieur et compor tant une surépaisseur externe constituant un piston, ladite surépaisseur coopérant avec une surépaisseur interne de la partie supérieure du corps extérieur, délimitant ainsi une cham bre hydraulique, dans la partie haute de laquelle débouche l'o rifice pour le passage du fluide hydraulique de commande, le corps extérieur et le tube intérieur étant munis l'un et l'autre de butées sur lesquelles prend appui un ressort de rappel du tube intérieur, ledit ressort étant contenu dans un espace situé entre le corps extérieur et le tube intérieur, ledit espace étant utilisé comme une partie d'un passage d'égalisation des pressions au dessus et au dessous de la vanne, entre au moins un orifice ménagé à travers la partie inférieure du corps exté rieur et au moins un orifice ménagé à travers le tube intérieur, ladite vanne de sécurité hydraulique étant caractérisée en ce que le passage d'égalisation des pressions comporte deux étanchéités obtenues l'une par le contact entre deux portées tronconiques faisant partie intégrante respectivement du corps extérieur et du tube intérieur et l'autre par des moyens d'obturation con trôlée du ou des orifices ménagés à travers la partie inférieure du corps extérieur. Dans une réalisation préférée, les moyens d'obturation contrôlée du ou des orifices ménagés à travers-la partie inférieure du corps extérieur, consistent dans l'association d'un clapet appliqué par un ressort sur un siège dans chacun des orifices d'égalisation ménagé dans la partie inférieure du corps extérieur, et notamment dans l'association d'un pointeau rigide qui prolonge le clapet et passe à travers l'orifice et d'une surface tronconique taillée sur le contour extérieur du tube intérieur, la première partie du déplacement dudit tube intérieur, de la position de fermeture à la position d'ouverture de la vanne entrainant l'ouverture progressive du ou des orifices- d'égalisation. Dans les diverses réalisations, la course du tube intérieur est telle qu'en position d'ouverture l'extrémité inférieure du tube pénètre dans la cage de clapet d'une longueur comprise sensiblement entre le quart et la moitié de la longueur de ladite cage, maintenant ainsi le clapet plaqué contre la cage. L'invention sera mieux comprise dans la description suivante donnée, à titre non limitatif, d'une forme de réalisation illustrée par les figures jointes. La figure 1 représente l'ensemble de la vanne La figure 2 représente le détail de la moitié supérieure. La figure 3 représente le détail de la moitié inférieure. Sur les différentes figures, à droite de l'axe de symétrie, est représentée une coupe de la vanne de sécurité en position de fermeture et à gauche de cet axe la méme vanne en position d'ouverture. En se référant à la figure on trouve en 1 un raccord de tubage constituant le réceptacle de la vanne de sécurité et comportant un siège de positionnement 2 et une rainure d'ancrage 3 tels qu'un outil d'ancrage 4, dont la description est donnée dans la demande de brevet français n 74 02707 de la demanderesse, peut être positionné et ancré, étant donné qu'à cet outil est fixé la vanne de sécurité par le moyen d'un pas de vis à droite 5. La représentation de l'outil d'-ancrage sur la figure est donnée à titre d'exemple. Tout autre type d'outil d'ancrage peut-être utilisé à condition que d'une part ledit outil soit muni de moyens de fixation susceptibles de coopérer avec ceux de la vanne de sécurité et que d'autre part le raccord de tubage constituant le réceptacle de la vanne comporte des moyens de positionnement et d'ancrage aptes à coopérer avec ceux de l'outil d'ancrage. La vanne de sécurité, dans la réalisation illustrée par les figures 1, 2 et 3 comporte un corps extérieur6,assemblage de trois garnitures dites supérieure 6a, intermédiaire 6b, et inférieure 6c, à la partie inférieure duquel est fixée une cage de clapet 7 et à l'intérieur duquel coulisse un tube intérieur 8 elle comporte également un ressort 9, dit ressort de rappel du tube intérieur, prenant appui d'une part sur une bague de butée 10, prenant appui sur une surépaisseur annulaire 8a du tube intérieur 8, et d'autre part sur un siège 11 faisant partie du corps extérieur. Pour la composition du corps extérieur 6, toute autre disposition peut être adoptée qui permet le démontage et l'entretien des différentes pièces mécaniques de la vanne tout en préservant les particularités du passage d'égalisation, objet de la présente invention Sur la figure 2, la garniture supérieure 6a comporte un ensemble de joints d'étanchéité 12, à double effet, fixés sur le contour extérieur de ladite garniture immédiatement au-dessus d'un orifice 13 pour le passage du fluide hydraulique de commande de la vanne. Ledit orifice 13 débouche à Vtérieur de la vanne dans un espace 14 compris entre la vanne et son réceptacle et mis en rapport par le moyen d'un conduit hydraulique 15 disposé dans la masse du réceptacle et ensuite à l'extérieur de celui-ci avec un moyen de contrôle hydraulique de surface non représenté. Ledit orifice 13 débouche à l'intérieur de la vanne dans un espace 16, dit chambre hydraulique, limité vers le haut par une réduction de diamètre intérieur du corps 6 et vers le bas par une augmentation du diamètre externe du tube intérieur 8, ladite augmentation du diamètre externe du tube intérieur constituant la surface utile 17 du piston 18. De part et d'autre de la chambre hydraulique 16 des joints doubles d'étanchéité 19 et 20 sont disposés dans des rainures tracées pour les joints 19 dans la paroi interne de la garniture supérieure au-dessus de l'orifice 13 et pour les joints 20 dans la paroi externe du tube intérieur, surépais seur dénommee piston 18, au-dessous de la chambre hydraulique de commande. La garniture intermédiaire Gb est constituée par un manchon cylindrique relié aux garnitures supérieure et inférieure par le moyen de filetages, un joint d'étanchéité étant monté en tête de chaque filetage, soit 21a et 21b. La garniture inférieure 6c, comporte un ensemble de joints d'étanchéité 22 à double effet, fixés sur le contour extérieur de la garniture immédiatement au-dessus d'une pluralité d'orifices 23 qui -sont les entrées d'un conduit pour l'égalisation de la pression au-dessus de la vanne de sécurité avec celle régnant au-dessous. Chàque orifice 23 débouche à l'extérieur de la vanne dans un espace 24 compris entre la vanne et son réceptacle en communication directe avec le puits au-dessous de la vanne. Chacun des orifices 23 débouche dans un espace 25 compris entre le contour intérieur cylindrique de la garniture inférieure 6c et le contour extérieur du tube intérieur 8.Chaque orifice 23 est muni d'un clapet 26 appliqué sur son siège 27 par une extrémité d'un ressort 28 dont l'autre extrémité repose contre une bague 29 enfilée sur la garniture inférieure. Chaque clapet 26 est prolongé par un pointeau 26' rigide passant à travers l'orifice et dont l'extrémité prend appui sur le contour extérieur du tube intérieur 8. La garniture inférieure 6c porte, vissée à l'aide d'un manchon 30 sur sa partie inférieure, une cage de clapet 7,le manchon 30 immobilise en translation la bague 29. Sur la cage 7 sont assemblés un clapet 31 mobile autour d'un axe horizontal 32 et muni d'un ressort de rappel 33 et un siège de clapet 34. La cage de clapet 7 comporte une ouverture axiale inferieure 7' de diamètre inférieur à celui du clapet et une ouverture latérale 7" permettant le passage du clapet. Le tube intérieur 8, coulissant dans le corps extérieur, est maintenu en contact étanche avec celui-ci par le moyen de deux joints d'étanchéité 19 disposés dans les rainures tracées sur la surface interne de la garniture supéreiure au-dessus de l'ouverture 13, par deux joints d'étanchéité 20 disposés dans des rainures tracées sur la surface externe de la section du tube intérieur dénommée piston 18 et enfin par un joint d'étanchéité 35 disposé dans une rainure tracée sur la surface extérieure du tube intérieur et prenant appui sur la partie inférieure de la garniture inférieure 6c, au-dessous des orificesd'égalisation 23.La section inférieure 36 du tube intérieur 8 a son diametre externe réduit afin de permettre le coulissement dudit tube intérieur 8 à travers le siège de clapet 34. Le tube intérieur comporte entre le piston 18 et la surépaisseur annulaire 8a un orifice 37 pour le passage d'égalisation des pressions. En position de fermeture de la vanne une surface annulaire tronconique 38 du support de la bague de butée 10 est en contact avec une portée tronconique 39 tracée sur la garniture supérieure 6a. Le contact des surface annulaires tronconiques 38 et 39 constitue une des étanchéités interrompant le passage d'égalisation en position de fermeture de la vanne. Le tube interne au dessous de la bague de butée 10 est cylindrique et d'épaisseur constante jusqu'aux abords du joint d'étanchéité 35. Dans cette zone le contour externe du tube intérieur présente une section tronconique 40 et s'achève par une section cylindrique 41. La garniture inférieure au dessus de l'orifice 23 a un diamètre interne supérieur de quelques millimètres au diamètre externe du tube intérieur ce qui détermine la continuité du passage d'égalisation des pressions. Le passage d'égalisation mettant en communication l'espace au-dessous de la vanne avec celui situé au-dessus comprend les orifices 23 maintenus fermés par le clapet 26 lorsque la vanne est en position de fermeture et dont l'ouverture est provoquée par l'action de la surface tronconique 40 sur le pointeau 26', l'espace libre entre la surface externe du tube intérieur 8 et la surface interne du corps extérieur 6, notamment la partie de cet espace servant de logement au ressort 9, ensuite le passage entre les portées tronconiques 38 et 39, et enfin l'orifice 37. Les surfaces des différents filetages, soit ceux permettant l'assemblage des garnitures supérieure, intermédiaire, et inférieure du corps extérieur 6, soit ceux servant à la fixation de la vanne à l'outil d'ancrage, ou à la manoeuvre de l'outil d'ancrage, ont subi en fin de fabrication, un traitement de surface antigrippage. Dans la réalisation illustrée par les figures décrites ci-dessus, les étanchéités doubles dont est muni le corps extérieur sont respectivement disposées, 12 sur la garniture supérieure, et 22 sur la garniture inférieure. Dans d'autres réalisations l-'étanchéi- té 22 peut-être disposée sur la garniture intermédiaire ou sur la garniture supérieure, au dessous de l'orifice 13. Le contour extérieur du corps extérieur peut comporter toutes modifications qui peuvent rendre possible l'utilisation de la vanne dans un réceptacle d'un modèle particulier. La mise en place de la vanne s'effectue pour les profondeurs mêmes importantes et notamment à quelques mètres au dessous du sol pour les puits en mer en employant l'outil d'ancrage tel qu'il est décrit dans la demande de brevet français nO 74 02707 de la demanderesse avec tiges de manoeuvre commandées de la surface, en outre à toutes profondeurs les dimensions et le poids de la vanne, 62 kg environ, permettant sa mise en place au cable. Dans les deux cars l'introduction de la vanne dans le puits et sa mise en place dans son réceptacle s'effectuent sous pression, le clapet de la vanne étant fermé. La mise en pression du circuit hydraulique à partir de la surface permet de vérifier l'étanchéité des joints 12 et 22 ainsi que des joints 19 et 20. La mise en pression du circuit hydraulique à partir de la surface permet d'abord d'éffectuer un test de l'étanchéité des clapets 26 qui contrôlent l'entrée du passage d'égalisation. En effet si un des clapets 26 n'est pas étanche, la pression nécessaire pour amorcer l'égalisation est supérieure à la normale, car la pression du puits se transmet dans le logement du ressort principal. Lorsque la pression hydraulique exercée correspond à ce qui est nécessaire pour repousser le ressort principal, le processus d'ouverture de la vanne commence. Le premier mouvement du tube intérieur 8 a pour effet de rompre le contact des surfaces tronconiques 38 et 39, mettant ainsi en communication le logement du ressort 8 avec l'espace au-dessus de la vanne. Le déplacement du tube intérieur 8 vers le bas amène lè pointeau 26' en contact avec la surface tronconique 40, il fait progressivement retracter ledit pointeau 26' et ouvrir les orifices 23. On remarque alors que le débit de fluide à travers les orifices 23, au nombre de 4 dans la réalisation de la vanne , est moindre que dans une couronne du diamètre de la vanne. Cette modération de la vitesse d'égalisation des pressions n'est pas sans avantages pour le fonctionnement de l'appareillage. L'extremité inférieure du tube intérieur 8 entre en contact avec le clapet 31 lorsque l'égalisation est réalisée, il lui est, alors possible en poursuivant sa progression de repousser le clapet 31 jusqu'à la position verticale de ce dernier, position atteinte alors que l'occultation du clapet par le tube intérieur n'est que partielle. Cette particularité a permis de réduire la déplacement du tube intérieur, or par construction une telle réduction a pour conséquence une réduction sur la garniture supérieure 6a, d'où un avantage de poids et d'encombrement appréciable. Le poids de la vanne avec l'outil d'ancrage est d'environ 75 kilos pour une longueur totale de 1,17 mètres. Pour maintenir la vanne de sécurité ouverte, la force exercée par la pression régnant dans le circuit hydraulique 14, donc dans la chambre hydraulique 16, sur la surface utile 17 du piston 18, doit-être supérieure à une force antagoniste égale à la somme de deux éléments dont l'un est la force du ressort 9 et dont l'autre est le produit de la pression du puits par la mesure de la surface annulaire 18a sur laquelle ladite pression du puits s'exerce. Dans la réalisation illustrée par les figures la surface annulaire 18a est égale à la surface utile 17 du piston 18. La pression dans le circuit hydraulique est habituellement liée par un asservissement à un moyen de contrôle des paramètres de fonctionnement du puits, notamment de la pression en tête. Une chute de la pression en tête du puits au dessous d'une valeur, dite d'alarme, peut ainsi provoquer la mise en communication du circuit hydraulique avec l'atmosphere, d'cù chute de la pression hydraulique et remontée du tube intérieur sous l'action de la force antagoniste. Aussitôt le clapet 31 mû par le ressort de rappel 33 entre en rotation et se trouve plaqué sur son siège 34. Le tube intérieur 8 achevant sa course vers le haut provoque la fermeture des orifices 23, interrompant la communication de pression d'égalisation et enfin provoque le contact en butée des deux surfaces tronconiques 38 et 39 qui assurent la seconde étanchéité du passage d'égalisation.Le double dispositif d'étanchéité selon l'invention donne le moyen, à tout moment,de vérifier si les orifices d'entrée du passage d'égalisation sont étanches, donc par différence, de savoir, à tout moment, si une observation de pression au dessus de la vanne fermée est due à une fuite de clapet ou à une fuite des orifices d'entrée du passage dsegalisa- tion, ce qui permet de choisir la manoeuvre la plus sûre pour la remise en état de la vanne. Les vannes munies d'un double dispositif de sécurité sur le passage d'égalisation réalisée de façon telle qu'une fuite de l'étanchéité d'entrée soit décelable lors de la manipulation de la commande hydraulique, apportent la sécurité la plus élevée qui est nécessaire sur les puits en mer, pour lesquels le tubage de production est de grand diamètre, notamment d'un diamètre supérieur à cent cinquante millimètres. REVENDICATIONS 1- Vanne de sécurité hydraulique, pour puits d'exploitation d'un fluide à haute pression, suspendue par le moyen d'un outil d'ancrage à l'intérieur d'un raccord de tubage, comportant - un corps extérieur muni de deux étanchéités disposées de part et d'autre d'un orifice, ménagé à travers la partie supérieure dudit corps extérieur pour le passage d'un fluide hydraulique de commande, - une cage de clapet fixée à la partie inférieure du corps exté rieur et sur laquelle sont assemblés un clapet mobile autour d'un axe horizontal et muni d'un ressort de rappel, et un siège de clapet, - un tube intérieur, coulissant dans le corps extérieur et comportant une surépaisseur externe constituant un piston, ladite surépaisseur coopérant avec une surépaisseur interne de la partie supérieure du corps extérieur, délimitant ainsi une chambre hydraulique, dans la partie haute de laquelle débouche l'orifice pour le passage du fluide hydraulique de commande, le corps extérieur et le tube intérieur étant muni l'un et l'autre de butées sur lesquelles prend appui un ressort de rappel du tube intérieur, ledit ressort étant contenu dans un espace situé entre le corps extérieur et le tube intérieur, ledit espace étant utilisé comme une partie d'un passage d'égalisation des pressions au-dessus et au-dessous de la vanne, entre au moins un orifice ménagé à travers la partie inférieure du corps exté rieur et au moins un orifice ménagé à travers le tube intérieur, ladite vanne de sécurité hydraulique étant caractérisée en ce que le passage d'égalisation des pressions comporte deux étan chéités obtenues l'une par le contact entre deux portées tron coniques faisant partie intégrante respectivement du corps extérieur et du tube intérieur et l'autre par des moyens d'obtu ration contrôlée du ou des orifices ménagés à travers la partie inférieure du corps extérieur. 2- Vanne de sécurité hydraulique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'obturation contrôlée du ou des orifices ménagés à travers la partie inférieure du corps extérieur, consistent dans l'association d'un clapet appliqué par un ressort sur un siège dans chacun des orifices d'égali sation ménagé dans la partie inférieure du corps extérieur, et notamment dans l'association d'un pointeau rigide qui prolonge le clapet et passe à travers l'orifice et d'une surface tron conique taillée sur le contour extérieur du tube intérieur, la première partie du déplacement dudit tube intérieur, de la position de fermeture à la position d'ouverture de la vanne entraînant l'ouverture progressive des orifices d'égalisation. 3- Vanne de sécurité hydraulique suivant les revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la course du tube intérieur esttelle qu'en position d'ouverture l'extrémité inférieure du tube pénètre dans la cage de clapet d'une longueur comprise sensi blement entre le quart et la moitié de la longueur de ladite cage, maintenant ainsi le clapet plaqué contre la cage.