Brevet FR2475678A1 — publié le 19810814

La présente invention concerne une vanne annulaire de sécurité, pour la commande du débit d'un fluide, no tamment pour unpuits d'extraction de pétrole ou de gaz. Il est déjà connu depuis longtemps d'utiliser une vanne de sécurité depuits pour oommander le débit entre l'intérieur et l'extérieur d'une vanne, mais l'invention est orientée vers différents perfectionnements d'une vanne de sécurité pour la commande hydraulique dans la- quelle (1) le débit du fluide provenant dupuits agit sur la vanne en tendant à la fermer, (2) la vanne peut être Positionnée à de pl.us grandes profondeurs avec des pres- sions variables de fermeture grâce à l'utilisation d'un double piston d'actionnement, (3) un piston de blocage permanent hydraulique est prévu, (4) une étanchéité minimale de l'obturateur de la vanne réduit le frottement au minimum, (5) la vanne est courte, légère et comporte un nombre minimal de pièces, et (6) le piston d'actionne- ment et le piston de blocage peuvent être actionnés in- dépendaximent ou en combinaison. Selon l'invention, une vanne de sécurité de puits d'extraction comporte un carter tubulaire et une pièce intérieure tubulaire formant un passage intérieur à l'intérieur de la pièce intérieure et un passage exté- rieur entre la pièce intérieure et le carter. Le carter comporte des ouvertures de vanne reliant le passage ex- térieur à l'extérieur du carter et un obturateur tubu- laire est mobile télescopiquement à l'intérieur du car- ter pour ouvrir et fermer les ouvertures; il est posi- tionné de manière qu'un débit vers le haut dans le pas- sage extérieur agisse sur l'obturateur pour fermer les ouvertures de la vanne. Des dispositions appropriées sont prises pour déplacer l'obturateur de la vanne vers le haut pour la fermeture, et au moins un piston d'action- nement est mobile telescopiquement à l'intérieur, avec son axe à l'intérieur de la paroi du carter; il est en prise avec l'obturateur et il est relié à un passage hy- draulique qui s'étend jusqu'à la surface du puits pour actionner l'obturateur dans le sens qui ouvre les ouver- tures de la vanne. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins un piston de blocage est mobile télescopiquement dans la paroi du carter, il est agencé pour engager l'ob- turateur et il communique avec un passage hydraulique qui s'étend jusqu'à la surface du puits pour actionner le piston de blocage et maintenir la vanne en position d'ou- verture. Un dispositif est prévu entre le piston de blo- c w e et le carter pour maintenir le piston en position d'ouverture lorsqu'il est actionné. Selon une autre caractéristique encore de l'in- vention, un dispositif à cisaillement est prévu entre le piston de blocage et le carter afin d'assurer que le pis- ton de blocage ne puisse être actionné par inadvertance. Selon une autre caractéristique encore de l'in- vention, un seul dispositif d'étanchéité est prévu entre l'obturateur et le carter, positionné au-dessous des ouver- tures et subissant des pressions égales sur les deux faces quand la vanne est ouverte afin de réduire au minimum le frottement du joint sur l'obturateur tubulaire. Selon une autre caractéristique encore de l'inven- tion, les pistons d'actionnement sont accouplés avec l'ob- turateur de la vanne et les pistons de blocage sIàSi- aec l'obturateur sans lui être accouplés. Selon une autre caractéristique encore de l'inven- tion, les pistons d'actionnement et les pistons de blocage communiquent avec un passage commun qui s'étend jusqu'à la surface du puitsde manière que le piston d'actionnement et le piston de blocage puissent être actionnés ensemble. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront au cours de la description qui va suivre et sur les dessins annexés donnés uniquement à titre d'ex- emple nullement limitatif: Les Figures 1A, 1B se prolongent l'une et l'au- tre et sont des coupes partielles suivant les lignes lA, lB de la Figure 2 d'une vanne selon l'invention, la Figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la Figure IA, la Figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la Figure 1A et - la Figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la Figure lA. Les Figures et particulièrement les Figures 1A et 1B, représentent une vanne de sécurité annulaire de commande de débit selon l'invention, désignéeglobalement par la référence numérique 10 et comprenant un carter tu- bulaire 12 et une pièce intérieure tubulaire 14. Le car- ter 12 est normalement utilisé dans le train de forage d'un puitsd'extraction de pétrole et/ou de gaz, et la par- tie supérieure du carter comporte généralement une partie filetée (non représentée) pour son assemblage dans la co- lonne de tube et sa partie inférieure est agencée pour être mise en place par des dispositifs appropriés, non re- présentés, à l'intérieur du puits. Par conséquent, un pas- sage intérieur 16 est formé dans le carter 12, à l'in- térieur de la pièce intérieure 14 et un passage extérieur 18 entre la pièce intérieure 14 et le carter 12. Une ou plusieurs ouvertures de vanne 20 (Fig. 4) relient la partie supérieure du passage extérieur 18 avec l'extérieur du carter 12 pour faire communiquer le passa- ge 18 avec la partie annulaire entre le carter 12 et un tu- gage de puits (non représenté). Un obturateur tubulaire 22 est mobile télescopi- quement à l'intérieur du carter 12, pour ouvrir et fermer les ouvertures 20. Quand l'obturateur 22 se trouve dans la position basse représentée sur les Figures lA et 1B, les ouvertures 20 sont ouvertes tandis que lorsque l'ob- turateur 22 se déplace vers le haut et repose sur un siège 24, des ouvertures 20 sont fermées. La vanne de sécurité 10 convient à différentes ap- plications en forage, par exemple l'injection d'un fluide vers le bas dans le passage intérieur 16 pour augmenter l'extraction du puits, circulant vers le haut par -le pas- sage extérieur 18, ou encore la vanne 10 peut être-uti- lisée pour assurer l'écoulement provenant du puits vers le haut par les deux passages 16 et 18. Dans un cas comme dans l'autre, le volume de fluide du puitspassant vers le haut par le passage extérieur 18 peut être considérable et il faut noter que l'obturateur 20 est positionné dans sa position d'ouverture dans laquelle le débit vers le haut par le passage extérieur 18 ne gène pas la fermeture de l'obturateur 22, mais permet au contraire que le passa- ge du fluide par le passage extérieur 18 agisse sur l'ob- turateur 22 dans le sens de fermeture des ouvertures 20. Différentes forces peuvent être développées pour com- mander le mouvement de l'obturateur 22 de la vanne. Ainsi, un dispositif de rappel, par exemple un ressort 26, peut exercer sa force entre un épaulement 28 du corps de vanne 12 et un épaulement 30 relié à l'obturateur 22, pour pous- ser élastiquement l'obturateur 22 vers le haut de manière à fermer les ouvertures 20. Pour déplacer vers le bas l'obturateur 22 de la vanne et ouvrir les ouvertures 20, un ou plusieurs pistons 32, deux de préférence, sont pré- vus pour se déplacer téléscopiquement dans le carter 12, et leur section transversale est inférieure à l'épaisseur du carter extérieur 12, de la manière décrite dans le Bre- vet des Etats Unis d'Amérique No 4 161 219 et la demande de Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 27 207 déposée le 5 mars 1979 au nom de la demanderesse, ces pistons étant commandés par un fluide hydraulique dans un canal hydrau- lique 34 agencé pour se prolonger jusqu'à la surface du puitspar une conduite 36, et de manière à actionner l'ob- turateur dans le sens ouvrant les ouvertues 20 de la vanne. L'utilisation des pistons 32 de section transver- sale réduite diminue les forces hydrostatiques s'exer- çant dans les canaux 34, afin de permettre d'utiliser la vanne 18 à de plus grandes profondeurs dans un puits. Lecanal hydraulique 34 communique avec une partie 37 de passage annulaire pour fournir le fluide hydraulique d'ac- tionnement à plusieurs pistons 32. De préférence, les pis-tons 32 sont accouplés avec l'obturateur 22 par des épaulements 42 et 44 coopérant, de manière que la pres- sion au-dessous des pistons 32 entraîne leur déplacement vers le haut etfacilite la fermeture de la vanne. Ainsi, la vanne de sécurité 10 est commandée par l'application ou la suppression de la pression d'un fluide dans la conduite de commande 36 se prolongeant jusqu'à la surface du puits et qui fournit un fluide hydraulique sous pression sur la partie supérieuredes pistons32 qui, à leur tour, exercent leur force sur la pièce tubulaire 22 pour déplacer vers le bas l'obturateur 22 de la vanne, afin de l'ouvrir. Si la pression du fluide dans la con- duite 36 est réduite suffisamment par rapport à la force de rappel vers le haut du ressort 26, l'obturateur 22 de la vanne se déplace vers le haut, aidé par le débit de fluide vers le haut dans le passage extérieur 18, de ma- nière à fermer les ouvertures 20. Il faut également remarquer qu'un seul joint 38 peut être prévu entre le carter 12 et l'obturateur 22 de la vanne, au-dessous des ouvertures 20. Le joint 38 est exposé à des pressions égales sur les deux faces, quand la vanne est ouverte, ce qui réduit le freinage par frotte- ment du joint 38 sur l'obturateur 22. Un second joint 40 est disposé sur l'extrémité de l'obturateur 22 pour s'ap- puyer sur le siège 24. Lavanne 10 à piston est une vanne récupérable dans le tube, c'est-à-dire que ce dernier doit être sorti du puits pour récupérer la vanne 10 et, pour cette application, il peut être souhaitable de prévoir un blocage pour main- tenirla vanne en position d'ouverture dans le cas d'une défaillance de la force hydraulique d'actionnement. Par conséquent, un ou plusieurs pistons de blocage 50, deux par exemple, sont prévus dans le carter 12 dans des posi- tions diamétralement opposées, dans lesquelles les pis- tons 50 communiquent avec un canal hydraulique 52 qui, à son tour, est relié à une conduite hydraulique 54 qui s'étend jusqu'à la surface dupuits afin d'actionner les pistons 50 vers le bas. Sous l'effet d'un mouvement de descente, les pistons 50 s'ergaget aec un éulemoet 56 sur l'obturateur 22 de la vanne pour l'amener en position d'ouverture. Le canal 52 contient une partie annulaire 58 qui délivre le fluide hydraulique aux pistons 50. De préférence, un dispositif est prévu entre le piston de blocage 50 et le carter 12 pour maintenir le piston 50 dans la position ouverte lorsqu'il est actionné. Ce dispositif de nmaintien peut comporter une pièce dentée sur le piston coopérant avec un cliquet 62 dans le car- ter 12. Il faut noter que le piston de blocage 50 n'est pas accouplé avec l'obturateur 22 mais entre seulement en prise avec l'épaulement 56 lorsqu'il est actionné. En outre, un dispositif à cisaillement, par exemple une goupille 64,peut être prévu entre le piston 50 et le carter 12 pour interdire l'actionnement du piston 50 tant qu'une force hydraulique prédéterminée n'a pas été appli- quée à sa partie supérieure pour provoquer le blocage hydraulique. Les pistons d'actionnement 32 et les pistons de blocage 50 peuvent être commandés séparément dans leur mouvement vers le bas par les conduites de commande 36 et 54 respectivement, mais ils peuvent aussi être commandés dans leur mouvement vers le bas par une seule conduite de commande aboutissant à la surface dupuits, par exemple en reliant ensemble les conduites de commande 54 et 36, ou en supprimant le joint 70 entre les parties de passage annu- laire 37 et 58. Dansoe cas, les pistons 32 peuvent être déplacés vers le bas par une pression plus basse, par exem- ple 450 kg, tandis que les pistons de blocage 50 seraient actionnés jusqu'à ce que la goupille à cisaillement 64 soit cisaillée, par exemple avec une pression de 900 kg. La présente invention est par conséquent bien adaptée à remplir son objet et à aboutir aux fins et avantages mentionnés, ainsi qu'à d'autres qui leur sont inhérents. Bien qu'un mode de mise en oeuvre actuelle- ment préféré de l'invention ait été fourni à des fins de description, de nombreuses modifications dans les détails de construction et dans l'agencement des diffé- rents éléments peuvent y être apportés, lesquels vien- dront aisément à l'esprit de l'homme du métier sans sortir de l'esprit de l'invention et de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Vanne de sécurité pour unpuits d'extraction, caractériséeen cequ'ellecomporte un carter tubulaire (12), une pièce intérieure tubulaire (14) reliée au carter et positionnée concentriquement dans ce carter en formant un passage intérieur (16) à l'intérieur de la pièce intérieu- re et un passage extérieur (18) entre la pièce intérieure et le carter, ledit carter comportant des ouvertures (20) de vanne reliant le passage extérieur à l'extérieur du carter, la vanne comportant égalementun obturateur tubu- laire (22) mobile téléscopiquement à l'intérieur du carter pour ouvrir et fermer lesdites ouvertures, ledit obtura- teur étant positionné de manière qu'un débit vers le haut par le passage extérieur agisse sur l'obturateur pour fer- mer lesdites ouvertures, un dispositif (26) destiné à dé- placer l'obturateur vers le haut pour fermer lesdites ouvertures, et au moias un piston d'actionnement (32) mo- bile téléscopiquement à l'intérieur de la paroi du carter, avec son axe longitudinal dans la paroi du carter, et disposé à l'extérieur de l'obturateur, ledit piston dMalt, avec l'obturateur, sa première face communiquant avec un passage hydraulique agencé pour s'étendre jusqu'à la s2re du puitspour actionner ledit obturateur dans le sens de l'ouverture desdites ouverturesde la vanne. 2 - Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un piston de blo- cage (50) mobile télescopiquement à l'intérieur de la paroi du carter, avec son axe longitudinal à l'intérieur de cette paroi, et à l'extérieur de l'obturateur, ledit piston sjl gat aec l'obturateur, sa première facecommuniquant avec une conduite hydraulique (52) qui s'étend jusqu'à la sur- face dupuitspour actionner ledit obturateur dans le sens de l'ouverture desdites ouvertures de la vanne, un disposi- tif (6o, 62) étant en outre prévu entre le piston de bloca- ge et ledit carter pour maintenir le piston en position d'ouverture lorsqu'il est actionné. 3 - Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit dispositif de maintien comporte un dis- positif denté (60, 62) entre le piston et le carter. 4 - Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'il comporte en outre un dispositif à cisaille- ment (64) entre le piston de blocage et le carter. - Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'eILle comporte un seul dispositif d'étanchéité (38) entre l'obturateur et le carter, positionné au-des- sous des ouvertures et subissant des pressions égales sur lesdeux faces quand la vanne est ouverte. 6 - Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits premiers pistons sont accouplés avec l'obturateur (22) de la vanne tandis que les autres pis*tc s'ei;nlt avec l'obturateur mais sans lui être accouplé. 7 - Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que les pistons d'actionnement (32) et les pistons de blocage (50) communiquent avec une conduite agencée pour se prolonger jusqu'àla surface du puits.