Brevet FR2517358A1 — publié le 19830603

VANNE DE SECURITE INSTALLEE AU-DESSOUS D'UNE POMPE D'ACTIVATION DANS UN PUITS DE PRODUCTION D'HYDROCARBURES L'invention concerne une vanne de sécurité installée au-dessous d'une pompe d'activation de l'effluent, à l'intérieur d'un puits de production d'hydrocarbures. On a déjà proposé des vannes de sécurité associées à des pompes d'activation entraînées par moteurs électriques, dans lesquelles une chambre de commande de l'ouverture de la vanne est en communication avec la sortie de la pompe de manière que le fluide produit à la sortie serve de fluide de commande de l'ouverture de la vanne de sécurité Une disposition de ce genre est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3807894 Un inconvénient important d'une telle disposition provient de ce que l'ensemble vanne-pompe constitue une unité indissociable du tube de production. Un objectif de l'invention est de réaliser une vanne de sécurité qui soit installée au-dessous d'une pompe d'activation elle-même placée dans un tube de production en pouvant être retirée par un simple travail au câble. Un problème important consiste en ce que la vanne de sécurité doit s'ouvrir avant que la pompe fonctionne Si l'on utilise pour commander l'ouver- ture de la vanne le fluide produit et si l'installation de fond du puits ne permet pas de placer un clapet anti-retour pour éviter une circulation de fluide dans le sens sortie de pompe vers entrée de pompe, à l'intérieur de la pompe, ou si l'on ne désire pas installer ce clapet, il s'établit, au démarrage de l'installation, une pression dans le passage de l'effluent à travers la vanne de sécurité, voisine de la pression dans la chambre de commande de l'ouverture de la vanne de sécurité, et la vanne de sécurité ne peut pas s'ouvrir si cette pression dans ledit passage de l'effluent parvient à une chambre agissant en opposition à la chambre de commande de l'ouverture de la vanne Un phénomène analogue se produirait dans les installations à pompes à hydro-éjecteurs "jet pumps" même si l'on envisageait de commander l'ouverture de la vanne de sécurité par le fluide moteur de la pompe. On peut songer à éviter cette difficulté en utilisant une vanne de sécurité à chambre de gaz précomprimé agissant en opposition à la chambre de commande de l'ouverture Une telle vanne de sécurité a été décrite dans le 17358 brevet des Etats-Unis d'Amérique 3782461 g 5 our effectuer la fermeture de la vanne. Mais une chambre de gaz comprimé, qu'elle soit utilisée pour fermer la vanne ou pour en permettre l'ouverture, ou pour ces deux raisons réunies, est un organe qui augmente les risques de défaillance de la vanne. Un objectif de l'invention est de permettre de réaliser une vanne de sécurité qui soit installée sous une pompe d'activation elle- même placée dans un tube de production en pouvant être retirée par un travail au câble et qui permette d'éviter l'utilisation d'une chambre de gaz précomprimé. Selon un objet de l'invention, la vanne de sécurité qui comporte, dans un corps, une chambre de commande d'ouverture de la vanne et une chambre agissant en opposition à cette chambre d'ouverture, comporte un clapet de pied fixé au bas dudit corps, tandis que ladite chambre en opposition communique avec le fond du puits en dessous du clapet de pied Selon un autre objet de l'invention, la vanne est disposée dans le tube de production de manière que le corps de la vanne s'applique par une garniture d'étanchéité contre le tube de production à la partie supérieure de la vanne tandis qu'un espace intermé- diaire ouvert vers le bas est ménagé, au-dessous de cette garniture d'étanché- ité, entre corps de vanne et tube de production, le corps de la vanne porte à sa partie inférieure un clapet de pied et ladite chambre en opposition communique avec ledit espace intermédiaire. Ainsi, la contre-pression agissant dans ladite chambre en opposition est la pression au fond du puits et elle est indépendante de la pression pouvant s'établir dans ledit passage de l'effluent à travers la vanne de sécurité lorsque le clapet de pied est fermé. D'autres objets de l'invention et des particularités de réalisation ressortiront de la description d'exemples de réalisation qui vont être décrits en se référant au dessin joint dans lequel: les fig l et 2 représentent, en coupe longitudinale, deux portions succes- sives, de haut en bas, d'un puits de production pétrolier dans la partie inférieure de celui-ci, avec vanne de sécurité et pompe d'activation à hydro- éectêur; la fig 3 représente plus schématiquement et à plus faible échelle une partie inférieure de puits pétrolier avec pompe hydraulique à circuits séparés pour le fluide moteur et le fluide produit; et 2 i 17358 les fig 4 et 5 sont des schémas analogues à celui de la fig 3 dans le cas respectivement d'une pompe électrique et -d'une pompe à tige. Selon les fig 1 et 2, le puits pétrolier comprend un cuvelage ou casing 1 à l'intérieur duquel est disposé un tube de production ou tubing 2 Un dispositif d'étanchéité ou packer 3 est installé entre tube de production 2 et cuvelage 1 pour assurer l'isolement de la portion 4 d'espace annulaire formé entre tube de production et cuvelage située au fond du puits, d'avec la portion 5 d'espace annulaire située au-dessus de ce packer 3. Une pompe d'activation 6, qui est ici du type hydraulique à éjecteur, est retenue par une collerette 7 s'appuyant sur une butée 8 prévue à l'intérieur du tube 2 Extérieurement, cette pompe comporte deux garnitures d'étanchéité 9 et 10 venant s'appliquer contre deux épaulements Il et 12 ménagés à l'intérieur du tube 2 Intérieurement, cette pompe comprend des passages pour le fluide moteur descendant de la surface selon la flèche 13 à l'intérieur du tube 2 et sortant du tube 2 par des ouvertures 14 selon les flèches 15 pour remonter dans l'espace annulaire 5 et des passages combinés avec les passages précédents et destinés à l'effluent qui monte du fond du puits selon la flèche 16 à l'intérieur du tube 2 et sort du tube 2, après s'être mélangé au fluide moteur, selon les flèches 15 Ces passages de fluide comprennent * un tube 17 d'entrée de fluide moteur suivi d'un injecteur 18, un passage vertical ascendant 19 d'entrée d'effluent, suivi d'un passage annulaire 20 o le sens d'écoulement de l'effluent s'inverse et qui débouche en aval de l'injecteur 18, et un éjecteur 21 Celui-ci est disposé en aval de l'injecteur 18 et de l'arrivée de l'effluent en face de l'injecteur et il aspire un mélange de fluide moteur et d'effluent, mélange qui constitue le fluide produit Ce fluide produit sort de la pompe 6 par un orifice 22, passe dans un espace 23 compris entre la pompe 6, le tube 2 et les garnitures d'étanchéité 9 et 10 et sort du tube 2 par les ouvertures 14 selon les flèches 15 pour monter dans l'espace annulaire 5. Au-dessous de la pompe 6, mais indépendamment de celle-ci, est installée dans le tube 2 une vanne de sécurité 24 Le corps 25 de cette vanne de sécurité est rendu solidaire, à sa partie supérieure, par un accouplement, vissé par exemple, 26, d'un mandr in d'arrêt, dit "lock mandrel", 27 muni de moyens d'ancrage 28 coopérant avec un manchon d'ancrage, dit "nipple", 29 du tube 2. Le mandrin d'arrêt 27 et le corps 25 de la vanne 24 sont munis extérieurement de garnitures d'étanchéité respectivement 30 et 31 s'appliquant contre des épaulements internes respectivement 32 et 33 du tube 2 Le tube 2 comporte des ouvertures 34 disposées entre ces épaulements 32 et 33 et permettant l'entrée, à des fins 17358 de manoeuvre de la vanne de sécurité, du fluide produit qui se trouve dans l'espace annulaire 5, dans un premier espace intermédiaire 35 délimité par le corps 25, le tube 2 et les garnitures d'étanchéité 30 et 31. Le corps 25 de la vanne de sécurité porte un clapet basculant 36 qui est normalement en position relevée, horizontale, dans laquelle il s'appuie sur un siège 37 et ferme la vanne 24 L'ouverture de la vanne 24 s'effectue par abaissement du clapet 36 dans la position verticale représentée sur la fig 2, cet abaissement du clapet 36 étant provoqué par la descente d'une chemise interne 38 coulissant à l'intérieur du corps 25. La vanne de sécurité est munie d'un système de, commande de l'ouverture Pour cela, la chemise 38 porte un premier piston 39 muni de garnitures d'étanchéité 40 et coulissant de manière étanche à l'intérieur du corps 25 entre deux épaulements 41 et 42 de celui-ci munis de garnitures d'étanchéité respectivement 43 et 44 s'appliquant contre la chemise 38 De part et d'autre du piston 39 sont ainsi formées respectivement une chambre 45 mise en communication par des orifices 46 avec l'espace 35 et une chambre 47 mise en communication par des orifices 48 avec un deuxième espace intermé- diaire 49, cylindrique et annulaire, compris entre tube 2 et corps 25 audessous de l'épaulement 33 et de la garniture d'étanchéité 31 et ouvert vers le bas. Ainsi, le piston 39 est soumis sur sa face supérieure à la pression du fluide produit se trouvant au bas de l'espace annulaire 5 et sur sa face inférieure à la pression de l'effluent au fond du puits. La vanne de sécurité est munie d'un système de rappel en position de fermeture La chemise 38 porte à cet effet un deuxième piston 50 soumis à l'action d'un ressort 51 qui s'appuie sur un épaulement interne 52 du corps 25 et qui tend à repousser la chemise 38 vers le haut Au-dessous de l'épaulement interne 52, le corps 25 présente un épaulement 53 qui s'appuie par une garniture d'étanchéité 54 contre la chemise 38 Une chambre 55 délimitée par le corps 25, la chemise 38, l'épaulement 42, la garniture d'étanchéité 44, l'épaulement 53 et la garniture d'étanchéité 54 est remplie d'huile, tandis qu'un passage calibré 56 est ménagé entre le piston 50 et le corps 25, de manière à former un système du type amortisseur qui retarde le déplacement du piston 50 et, par suite, de la chemise 38. Afin de pouvoir remonter la pompe 6 par pompage inverse, c'est-à- dire envoi d'un fluide sous pression dans l'espace annulaire 5, on a muni le tube 17 de la pompe 6 d'un clapet de retenue 57 et de coupelles 58 Le pompage inverse suppose aussi l'installation d'un clapet de pied au bas du tube 2 Ici, ce clapet de pied a été monté non pas sur le tube 2, mais sur un prolongement 59 du corps 25 de la vanne vers le bas, et il porte la référence 60 Ce clapet de pied joue un autre rôle que celui de permettre un pompage inverse, grâce à-son montage sur ce prolongement 59 Il permet en effet, lorsqu'il est fermé, d'isoler le passage 61 ménagé à l'intérieur de la vanne 24 pour l'effluent, d'avec le deuxième espace intermédiaire 49 L'installation du clapet de pied 60 sur le prolongement 59 du corps 25 de vanne de sécurité 24 est donc réalisée même si l'on n'envisage pas d'effectuer de pompage inverse. L'ouverture du clapet 36 est facilitée si le volume de fluide piégé entre le clapet 36 et le clapet de pied 60 est important et/ou si le clapet de pied 60 n'est pas parfaitement étanche De même, il est préférable que le clapet de retenue 57 ne soit pas parfaitement étanche pour que le mouvement de la chemise 38 ne soit pas gêné. On a supposé dans cet exemple que l'on souhaitait avoir une fixation de la vanne de sécurité 24 dans le tube de production 2 indépendante de la fixation de la pompe d'activation afin de pouvoir retirer cette dernière tout en conservant la sécurité au fond du puits Sinon, on pourrait aussi réunir la pompe et la vanne de sécurité en un seul ensemble fixé dans le tube de production de manière à pouvoir être retiré par travail au câble. On n'a pas représenté sur ces fig 1 et 2 les systèmes d'égalisation de pression qui peuvent être utilisés pour permettre le désancrage de la vanne de sécurité car ces systèmes sont classiques. L'égalisation des pressions peut aussi être obtenue, si le puits est éruptif, en mettant en pression le tube de production 2, ce qui fait descendre la chemise interne 38 et ouvre le clapet 36, mais bloque le clapet de pied 60 en position fermée, puis en descendant un outil de désancrage pour bloquer la chemise interne 33 en position baissée et enfin en diminuant la pression dans le tube de production jusqu'à obtenir l'égalisation Si le puits n'est pas éruptif, on peut injecter un fluide léger ou effectuer un battage vers le bas qui provoque dès qu'il y a décrochage le départ vers le bas du mandrin d'arrêt. On n'a pas représenté non plus les installations de surface qui permettent d'effectuer le pompage hydraulique et, éventuellement, le pompage inverse On pourra également, dans de nombreux cas, disposer à la surface un moyen assurant une contre-pression réglable dans l'espace annulaire 5 Ce moyen pourra notamment être constitué par une soupape de retenue à contre- pression réglable. 17358 La procédure d'ouverture de la vanne et de mise en pompage peut s'effectuer de la manière suivante On règle, en surface, la contrepression réglable dans l'espace annulaire 5 aux environs de la valeur maximale Pc que peut supporter l'installation. On met en surface doucement en pression le fluide moteur dans le tube de production 2 jusqu'à Pc, ce qui provoque: l'ouverture du clapet 36 de la vanne de sécurité par égalisation des pressions de part et d'autre de celui-ci la descente progressive de la chemise 38 dont le piston 39 est soumis à sa partie supérieure -à la somme de la pression établie en surface et de la pression hydrostatique du fluide moteur et à sa partie inférieure à la pression statique du puits; et finalement l'ouverture complète du clapet 36 par la descente complète de la chemise 38. On commence à injecter du fluide moteur dans le tube de production 2, ce qui permet le démarrage progressif de la pompe 6 tout en maintenant la vanne de sécurité 24 ouverte, le risque de fermeture de celle-ci étant évité par le système retardateur disposé dans la chambre 55. On réduit progressivement la contre-pression dans l'espace annulaire 5 pour atteindre la pression d'écoulement en tête du puits. La phase de fermeture de la vanne de sécurité 24 s'effectue automatiquement dès que la différence de pression entre aspiration et refoule- ment de la pompe 6 s'annule Toutefois, cette fermeture ne se produit pas si le puits n'est pas éruptif car le poids de la colonne de fluide dans l'espace annulaire 5 a alors tendance à fermer le clapet de pied 60, ce qui empêche l'égalisation de pression de part et d'autre du piston 39 La vanne de sécurité ne se ferme donc que s'il y a éruption ou écoulement au niveau de cette vanne; ainsi, elle remplit toujours, quelle que soit la pression d'écoulement, sa fonction de prévention en cas d'éruption. La force de rappel du ressort 51 doit être suffisante pour vaincre le poids propre de la chemise coulissante 38 et des éléments qui en sont solidaires ainsi que les frottements des étanchéités Le ressort 51 peut éventuellement être remplacé par des rondelles Belleville. On a supposé dans l'exemple représenté que la pompe était du type à éjecteur, mais on pouvait aussi utiliser une pompe hydraulique à fluide moteur séparé du fluide produit, une pompe à tige ou une pompe électrique suspendue au bout d'un câble, comme on le verra à propos des exemples représentés sur les fig 3, 4 et 5. 251 i 7358 On a représenté une vanne de sécurité 24 du type à clapet, mais un autre type d'obturateur pourrait être adopté De même, la manoeuvre de la vanne pourrait être effectuée par un organe autre qu'une chemise coulissante centrale, par exemple par des lges disposées à la périphérie de la vanne. La liaison entre l'organe de manoeuvre de la vanne et le piston sur lequel s'exerce la pression de commande, au lieu d'être rigide, pourrait comporter un intermédiaire élastique tel qu'un ressort, de manière à réduire la force d'appui de cet organe de manoeuvre sur l'obturateur de la vanne. Dans le schéma de la fig 3, on retrouve le cuvelage 1, le tube de production 2, le packer 3, la vanne de sécurité 24 avec le clapet de pied 60, ces derniers très schématiquement représentés, mais en fait, réalisés et montés conformément aux fig l et 2 Ici, la pompe hydraulique d'activation 66 a un circuit séparé pour le fluide moteur qui arrive selon la flèche 13 et remonte selon la flèche 67 dans un tube spécial 68 et pour le fluide produit qui entre dans la pompe 66 selon la flèche 16 et en sort selon la flèche 69 pour remonter dans l'espace annulaire 5 Au démarrage, on envoie un fluide sous pression dans l'espace annulaire 5 à partir de la surface. Sur la fig 4, on a prévu une pompe électrique suspendue à un câble non représenté ou une pompe à tige 76, qui refoule à l'intérieur du tube de production 2, selon la flèche 77, une conduite 78 envoyant le fluide produit dans la vanne de sécurité 24 pour en commander l'ouverture Au démarrage, on envoie un fluide sous pression dans le tube 2 à partir de la surface Une vanne coulissante 79 peut être intercalée entre la pompe 76 et la vanne de sécurité 24 pour transmettre le niveau dynamique de liquide, correspondant à la pression d'aspiration, dans l'espace annulaire 5 On peut ainsi libérer une partie du gaz contenu dans l'effluent à l'entrée de la pompe. Le schéma de la fig 5 correspond à l'utilisation d'une pompe 86 à tige 87 et piston 88 qui refoule à la descente soit dans l'espace annulaire 5 soit dans un tube 89 adjacent au tube 2 Des clapets de retenue 90 et 91 assurent le fonctionnement de la pompe Cette configuration est utilisée pour le pompage d'effluents très visqueux Au démarrage, on ouvre la vanne 24 par l'envoi d'un fluide sous pression dans l'espace annulaire 5 à partir de la surface. Ces exemples illustrent simplement des applications possibles de l'invention, mais de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'invention. 17358 REVENDICATIONS 1 Vanne de sécurité ( 24) installée au-dessous d'une pompe ( 6) d'activation de l'effluent, elle -même placée dans un tube de production ( 2), à l'intérieur d'un puits de production d'hydrocarbures, comportant, dans un corps ( 25), une chambre ( 45) de commande d'ouverture de la vanne et une chambre ( 47) agissant en opposition à cette chambre d'ouverture ( 45), caractérisée en ce qu'elle comporte un clapet de pied ( 60) fixé dans le bas ( 59) dudit corps ( 25), tandis que ladite chambre en opposition ( 47) communique ( 49), avec le fond du puits en-dessous du clapet de pied ( 60) . 2 Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps ( 25) de la vanne s'applique par une garniture étanche ( 31) contre le tube de production ( 2) à la partie supérieure de la vanne, tandis qu'un espace intermédiaire ( 49), ouvert vers le bas, est ménagé, endessous de cette garniture d'étanchéité ( 31), entre corps de vanne ( 25) et tube de production ( 2) et en ce que ladite chambre en opposition ( 47) commu- nique avec ledit espace intermédiaire ( 49). 3 Vanne de sécurité selon la revendication 2, qui est manoeuvrée à l'ouverture par une chemise interne coulissante ( 38) solidaire d'un piston ( 39) s'appliquant contre le corps de vanne ( 25) et séparant la chambre d'ouverture ( 45) située au-dessus de lui, de la chambre en opposition ( 47) située en-dessous de lui, caractérisée en ce que la chambre d'ouverture ( 45) est reliée à l'extérieur par au moins un conduit ( 46) situé au-dessus de la garniture d'étanchéité ( 31) tandis que la chambre en opposition ( 47) communique avec ledit espace intermédiaire ( 49) par au moins une ouverture ( 48) dans le corps de vanne ( 25) ménagée en-dessous de la garniture d'étanchéité ( 31). 4 Vanne de sécurité selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit corps de vanne ( 25) contient, de haut en bas, entre ladite chambre en opposition ( 47) et ledit clapet de pied ( 60), un retardateur du type amortisseur ( 55, 50, 56) et l'organe d'obturation ( 36) de la vanne ( 24) . 5 Vanne de sécurité selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que ledit espace intermédiaire ( 49) a la forme d'un cylindre annulaire.