Brevet FR2517360A1 — publié le 19830603

INSTALLATION COMBINEE D'UNE POMPE D'ACTIVATION ET D'UNE VANNE DE SECURITE DISPOSEE AU-DESSOUS DE CETTE POMPE, DANS UN PUITS DE PRODUCTION D'HYDROCARBURES. L'invention concerne un puits de production d'hydrocarbures dans lequel l'effluent est activé par une pompe d'activation installée dans un tube de production et dans lequel une vanne de sécurité, disposée au-dessous de cette pompe, assure la sécurité en cas d'éruption du puits. Il est important que la pompe et la vanne de sécurité ne forment pas un bloc avec le tube de production et puissent être retirées indépendamment de ce tube La pompe et la vanne doivent alors former un ensemble amovible indépendant du tube de production ou être installées séparément dans ce tube. Dans ce dernier cas, on conserve la sécurité au fond du puits après enlèvement de la pompe et avantageusement la vanne de sécurité est installée de manière à pouvoir être retirée par un simple travail au câble. D'autre part, des lignes de commande d'une vanne de sécurité placées extérieurement au tube de production sont d'un maniement incommode et risquent d'être endommagées Il serait donc intéressant de pouvoir comman- der une vanne de sécurité amovible disposée au-dessous d'une pompe d'activa- tion, sans liaison disposée extérieurement au tube de production. Un objectif de l'invention est de résoudre ce problème en utilisant comme fluide de commande de la vanne de sécurité soit le fluide moteur de la pompe si celle-ci est une pompe hydraulique soit le fluide produit à la sortie de la pompe. Un objet de l'invention est ainsi une installation combinée d'une pompe d'activation installée dans un tube de production et d'une vanne de sécurité disposée au-dessous de la pompe d'activation et manoeuvrée à l'ouverture par la descente d'une chemise, interne à cette vanne, commandée par une chambre de commande, installation dans laquelle un passage annulaire est ménagé intérieurement au tube de production le long d'au moins une paroi reliant la pompe à la vanne, et s'étend depuis la pompe o sont disposés des moyens de communication de ce passage avec un fluide sous pression présent au niveau de la pompe jusqu'à la vanne o ce passage communique avec ladite chambre de commande. 17360 Ce passage annulaire peut être délimité d'un côté par le corps même de la vanne prolongé jusqu'à la pompe, si l'on forme un seul bloc amovible comprenant à la fois la vanne et la pompe De l'autre côté, le passage annulaire pourra être extérieurement délimité par le tube de production ou être intérieu- rement délimité par une paroi interne au corps de vanne Dans ce dernier cas, ou si l'on préfère installer séparément la pompe et la vanne dans le tube de production, un autre objet de Pinvention consiste en ce que la pompe comporte un prolongement tubulaire à sa partie inférieure et ladite chemise interne comporte un prolongement tubulaire à sa partie supérieure et en ce que ces prolongements tubulaires peuvent coulisser l'un dans l'autre de manière étanche, de sorte qu'ils forment ensemble une paroi continue délimitant ledit passage annulaire intérieurement. D'autres objets et particularités de l'invention ressortiront de la description d'exemples de réalisation qui vont être donnés, à titre non limitatif, en se référant au dessin joint, dans lequel: les fig 1 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 une installation combinée d'une pompe d'activation et d'une vanne de sécurité; les fig 3 et 4 représentent une vue analogue d'une variante de réalisation; les fig 5 et 6 représentent deux portions successives, de haut en bas, d'une autre variante de réalisation; les fig 7 et 8 représentent deux portions successives, de haut en bas, d'une variante de la réalisation selon les fig 1 et 2, dans laquelle la pompe et la vanne forment ensemble un bloc amovible; les fig 9 et 10 représentent deux portions successives, de haut en bas, d'une variante de la réalisation selon les fig 3 et 4, dans laquelle la pompe et la vanne forment ensemble un bloc amovible; et les fig Il et 12 représentent deux portions successives, de haut en bas, d'une variante de la réalisation selon les fig 5 et 6, dans laquelle la pompe et la vanne forment ensemble un bloc amovible. Selon les fig l *et 2, le puits pétrolier comprend un cuvelage ou casing l 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 i pour assurer l'isolement de la portion 4 d'espace annulaire formé 17360 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 du type hydraulique à éjecteur et qui est retenue dans le tube 2 par une collerette s'appuyant sur un épaulement interne du tube, porte extérieurement sur son enveloppe 7 deux garnitures d'étanchéité 8 et 9 qui s'appliquent de manière étanche à l'intérieur du tube 2 sur des portées 10 et 11 de celui-ci. Le fluide moteur de la pompe 6 descend de la surface selon la flèche 12 Intérieurement, la pompe 6 comprend des passages pour le fluide moteur qui entre dans la pompe selon la flèche 13 et sort 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 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 du fluide moteur suivi d'un injecteur 18, un passage vertical ascendant 19 d'entrée d'effluent, suivi d'un passage 20 o le sens d'écoulement de l'effluent s'inverse et qui débouche en aval de l'injecteur 18, et un éjec- teur 21 Celui-ci est disposé en aval de l'injecteur 18 et de l'arrivée de l'ef- fluent 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 8 et 9 et sort du tube 2 par les ouver- tures 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 26, d'un mandrin d'arrêt, dit "lock mandrel", 27, muni de moyens d'an- crage 28 coopérant avec un manchon d'ancrage, dit "nipplé", 29 du tube 2 Le mandrin d'arrêt 27 est muni extérieurement d'une garniture d'étanchéité 30 s'appliquant contre un épaulement interne 31 du tube 2. Le corps 25 de la vanne de sécurité 24 porte un clapet basculant 32 qui est normalement en position relevée, horizontale, dans laquelle il s'appuie sur un siège 33 et ferme la vanne 24 L'ouverture de la vanne 24 s'effectue par abaissement du clapet 32 dans la position verticale représentée sur la fig 2, cet abaissement du clapet 32 étant provoqué par la descente d'une chemise interne 34 coulissant à l'intérieur du corps 25. La chemise 34 porte un premier piston 35, muni de garnitures d'étanchéité 36 et coulissant de manière étanche à l'intérieur du corps 25 Un épaulement 37 du corps 25 muni d'une garniture d'étanchéité 38 est disposé en dessous du piston 35 et délimite, avec celui-ci, le corps 25 et la chemise 34, une chambre 39 remplie d'un gaz précornprimé, par exemple de l'azote Au-dessus du piston 35 se trouve une chambre 40 qui est la chambre de commande du déplacement vers le bas de la chemise interne 34 et qui reçoit à cet effet un fluide sous pression venant de la pompe 6, comme on le verra plus loin. La vanne de sécurité 24 est munie d'un système de rappel en position de fermeture La chemise 34 porte à cet effet un deuxième piston 41 soumis à l'action d'un ressort 42 qui s'appuie sur un épaulement interne 43 du corps 25 et qui tend à repousser la chemise 34 vers le haut Au-dessous de l'épaulement interne 43, le corps 25 présente un épaulement 44 qui s'appuie par une garniture d'étanchéité 45 contre la chemise 34 Une chambre 46 délimitée par le corps 25, la chemise 34, l'épaulement 37, la garniture d'étanchéité 38, l'épaule ment 44 et la garniture d'étanchéité 45 est remplie d'huile tandis qu'un passage calibré 47 est ménagé entre le piston 41 et le corps 25, de manière à former un système du type amortisseur qui retarde le déplacement du piston 41 et, par suite, de la chemise 34. 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 -48 et de coupelles 49, et on a installé un clapet de pied 50 sur un prolongement 51 du corps 25 vers le bas. L'enveloppe 7 de la pompe porte, à sa partie inférieure, un prolon- gement tubulaire 52 coaxial au tube de production 2 et la chemise interne 34 comporte, à sa partie supérieure, un prolongement tubulaire 53 également coaxial au tube de production 2 Ce prolongement tubulaire 53 a un diamètre inférieur à celui du prolongement tubulaire 52 et la longueur de ces deux prolongements tubulaires est telle que le prolongement tubulaire 53 pénètre dans le prolongement tubulaire 52, un épaulement 54 du prolongement tubu- laire 53, muni d'une garniture d'étanchéité 55, assurant l'étanchéité de la jonction de ces deux prolongements tubulaires Un passage annulaire 56 se trouve ainsi formé entre le tube 2 et les prolongements tubulaires 52 et 53 Ce passage annulaire 56 communique à sa partie inférieure avec la chambre de commande 40, tandis qu'à la partie supérieure de ce passage annulaire 56 débouche au moins un conduit 57 qui traverse la pompe 7 de haut en bas et qui transmet la pression du fluide moteur régnant au-dessus de la pompe 6. 17360 Les fig 3 et 4, o l'on retrouve la plus grande partie des éléments représentés sur les fig 1 et 2, montrent une variante de réalisation o l'on utilise comme fluide de commande envoyé dans la chambre 40 le fluide produit sortant par l'orifice 22 On a supprimé la garniture d'étanchéité 9 et la portée 11, de manière à établir une communication 58 entre l'orifice 22 et le passage annulaire 56, le conduit 57 étant évidemment supprimé. En outre, dans cette variante, on a remplacé la chambre de gaz précomprimé 39 par une chambre 59 communiquant par des orifices 60 avec l'espace 61 compris entre tube 2 et corps 25 en-dessous de la garniture d'étan- chéité 30 On fait ainsi application de la vanne décrite dans la demande de brevet français déposée ce même jour pour: "Vanne de sécurité installée au- dessous d'une pompe d'activation dans un puits de production d'hydrocarbures". Dans l'exemple des fig 5 et 6, on retrouve les éléments des fig 1 et 2 avec une petite variante à la jonction des prolongements tubulaires 52 et 53, o c'est le prolongement tubulaire 52 qui porte un épaulement 62 muni d'une garniture d'étanchéité, mais on y a ajouté une disposition permettant, lors de la montée de la chemise 34, le remplacement dans la chambre 40, du fluide moteur par le fluide produit présent dans l'espace annulaire 5. Pour cela, on a prévu dans le tube 2 des ouvertures 63 mettant en communication l'espace annulaire 5 avec un espace 64 interne au tube 2, compris entre le tube 2, le corps 25, la garniture d'étanchéité 30 et une garniture d'étanchéité supplémentaire 65 s'appliquant contre une portée in- terne 66 du tube 2 Un tiroir 67, sollicité vers le haut par un ressort 68, fait communiquer, lorsqu'il est en position haute représentée sur les fig 5, 6 et 7, l'espace 64 avec la chambre 40, par un orifice 69 ménagé dans le corps 25 et un orifice 70 ménagé dans ledit tiroir Au contraire, lorsque le fluide moteur est sous pression, le tiroir 67 descend en position basse o il permet l'arrivée du fluide moteur dans la chambre 40 par deux orifices 71 et 72 prévus dans ce tiroir et une chambre intermédiaire 73, tandis qu'un épaulement 74 de la chemise 34 muni d'une garniture d'étanchéité 75 s'appliquant contre le tiroir 67 interdit le passage direct du fluide moteur vers la chambre 40 Dès que la pression du fluide moteur est supprimée, le tiroir 67 remonte en position haute et remet en communication l'espace annulaire 5 avec la chambre 40 Sur le dessin, les positions représentées des divers éléments correspondent au moment o la pression du fluide moteur a été supprimée, mais o la chemise 34 n'a pas encore commencé son mouvement de remontée. On n'a pas représenté dans ces exemples les systèmes d'égalisation de pression qui peuvent être utilisés pour permettre le désancrage de la vanne de sécurité, ni les installations de surface qui permetttent d'effectuer le pompage hydraulique et, éventuellement, le pompage inverse On pourra égale- ment, dans de nombreux cas, disposer à la surface un moyen, tel que par exemple une soupape de retenue à contre-pression réglable, assurant une contre-pression réglable dans l'espace annulaire 5. La procédure d'ouverture de la vanne et de mise en pompage peut s'effectuer de la manière suivante. On règle en surface la contre-pression 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 32 de la vanne de sécurité par égalisation des pressions de part et d'autre de celui- ci; et l'ouverture complète du clapet 32 par la descente de la chemise intérieure 34. On commence à injecter 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 du fait de la pression exercée au-dessus du piston 35. On augmente la pression dans le tube 2 jusqu'à la valeur désirée. 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 lorsque la pression du fluide moteur est relâchée. Dans le cas o la chambre de commande 40 reçoit le fluide moteur de la pompe, il peut être intéressant d'installer à l'entrée de la pompe 6 un retardateur qui crée un retard entre l'établissement de la pression du fluide moteur aux-dessus de la pompe et l'entrée de ce fluide moteur dans la pompe Ce retardateur peut, par exemple, être du type de ceux décrits dans la demande de brevet français déposée le même jour pour: "Dispositif de commande d'une vanne de sécurité disposée au-dessous d'une pompe d'activation dans un puits de production d'hydrocarbures". On peut également appliquer à la présente invention d'autres sys- tèmes décrits dans la demande de brevet français qui vient d'être citée, notamment le système de réduction de la force d'appui sur l'obturateur de la vanne et le système de vanne combinée à une chambre de gaz précomprimé. On va décrire, à l'aide des fig 7 à 12, des variantes des trois réalisations selon les fig 1 à 6 dans le cas o la pompe et la vanne forment un bloc fixé au-dessus de la pompe et o ledit passage annulaire est, au moins en partie, ménagé entre l'enveloppe de ce bloc et la paroi formée par les prolongements tubulaires 52 et 53. Dans la réalisation selon les fig 7 et 8, le corps 25 de la vanne 24 est relié à l'enveloppe 7 de la pompe 6 par un tube 76 soudé ou fixé d'une autre manière à sa partie supérieure à l'enveloppe 7 et vissé ou fixé d'une autre manière à sa partie inférieure au corps 25 Le corps 25 pourrait aussi être simplement prolongé vers le haut et soudé lui-même sur l'enveloppe 7 La garniture d'étanchéité 30 ainsi que Pépaulement 31 sont supprimés L'ensemble pompe-vanne est fixé dans le tube 2 grâce à un prolongement tubulaire 77 de la partie supérieure de l'enveloppe 7 et à des moyens d'ancrage 78 et 79, respectivement portés par le prolongement tubulaire 77 et par le tube 2. Le passage annulaire servant de communication entre la pompe et la vanne pour la transmission du fluide d'ouverture de la vanne porte ici la référence 80 et il se trouve compris entre le tube 76 et la paroi formée par les prolongements tubulaires 52 et 53 Le passage 80 est en communication à sa partie supérieure avec le conduit 57 et à sa partie inférieure avec la chambre de commande 40. On a supprimé le clapet de pied 50, (la chambre 39 étant remplie d'un gaz précomprimé), ainsi que le clapet de retenue 48, les coupelles 49 et le tube d'entrée de fluide moteur 17 On a, évidemment, supprimé le mandrin d'arrêt 27. Dans la réalisation selon les fig 9 et 10, la pompe 6 est fixée dans le tube 2 par les mêmes organes que dans la réalisation selon les fig 7 et 8 prolongement tubulaire 77 et moyens d'ancrage 78 et 79 Le corps 25 de la vanne 24 est fixé à l'enveloppe 7 de la pompe 6 par un raccord tubulaire 81 soudé à sa partie supérieure 82 sur le prolongement tubulaire 52 La partie supérieure 82 de ce prolongement tubulaire est munie d'orifices de passage 83. Le passage de communication 58 débouche ainsi dans une première portion 84 de passage annulaire comprise entre le prolongement tubulaire 52 et le tube 2, et cette première portion 84 de passage annulaire communique par les orifices 83 avec une deuxième portion 85 de passage annulaire comprise entre le raccord tubulaire 81 et la paroi formée par les prolongements tubulaires 52 et 53, cette deuxième portion 85 de passage annulaire débouchant dans la chambre de commande 40. On a supprimé le clapet de retenue 48, les coupelles 49 et le tube d'entrée de fluide moteur 17, mais on a conservé le clapet de pied 50, la chambre 59 communiquant avec l'espace 61 On a, évidemment, supprimé le mandrin d'arrêt 27. On a ajouté au schéma un système d'égalisation des pressions sous la garniture d'étanchéité 30 afin de permettre le désancrage Ce système com- prend un orifice 86 ménagé dans le raccord tubulaire 81 pour mettre en communication l'espace 61 avec la deuxième portion 85 de passage annulaire, un piston 87 bouchant cet orifice 86 pendant le fonctionnement de la pompe 6, et une tige 88 de manoeuvre de ce piston traversant, de manière étanche, toute la pompe 6 pour présenter au-dessus de cette pompe une tête 89 sur laquelle on peut effectuer un battage, au moment du désancrage, pour que le piston 87 dégage l'orifice 86. La réalisation selon les fig Il et 12 apporte une simplification i 5 importante par rapport à la réalisation selon les fig 5 et 6. La fixation de l'ensemble pompe-vanne s'effectue, comme dans les deux exemples précédents, au-dessus de la pompe 6, au moyen d'un prolon- gement tubulaire 77 et de moyens d'ancrage 78 et 79, le mandrin 27 étant supprimé Le corps 25 de la vanne 24 est fixé à l'enveloppe 7 de la pompe 6 par un tube 76, comme dans la réalisation selon les fig 7 et 8. On a supprimé les garnitures d'étanchéité 9 et 30, de sorte que la sortie 22 de la pompe 6 et l'espace 23 se trouvent reliés à un passage auxiliaire compris entre le tube 2 d'une part et le tube 76 et le corps 25 d'autre part. Ce passage auxiliaire 90 joue le même rôle que l'espace interne 64 dans la réalisation selon les fig 5 et 6. On a supprimé le clapet de pied 50 (la chambre 39 étant remplie d'un gaz précomprimé) ainsi que le clapet de retenue 48, les coupelles 49 et le tube d'entrée de fluide moteur 17 Si l'on voulait remplacer la chambre 3 par une chambre 59 reliée à l'espace 61, comme dans l'exemple des fig 9 et 10, on maintiendrait le clapet de pied 50 et on installerait un système d'égalisation de pression au niveau de la garniture d'étanchéité 65, par exemple un système du genre de celui prévu dans la réalisation selon les fig 9 et 10. On remarquera qu'un passage annulaire tel que le passage auxiliaire pourrait, dans d'autres variantes de réalisation non représentées ici, servir à amener, dans une chambre de commande telle que la chambre 40, un fluide sous pression présent au niveau de la pompe, notamment le fluide produit. On comprendra que de nombreuses autres variantes peuvent être adoptées sans sortir du cadre de la présente invention. 17360 REVENDICATIONS I Installation combinée d'une pompe d'activation ( 6) installée dans un tube de production ( 2) et d'une vanne de sécurité ( 24) disposée au- dessous de la pompe d'activation ( 6) et manoeuvrée à l'ouverture par la descente d'une chemise ( 34), interne à cette vanne, commandée par une chambre de commande ( 40), caractérisée en ce qu'un passage annulaire ( 56; 80; 84,85) est ménagé intérieurement au tube de production ( 2) le long d'au moins une paroi ( 52,53; 76; 81) reliant la pompe ( 6) à la vanne ( 24) et s'étend depuis la pompe ( 6) o sont disposés des moyens de communication ( 57, 58) de ce passage avec un fluide sous pression présent au niveau de la pompe jusqu'à la vanne ( 24) o ce passage communique avec ladite chambre de commande ( 40). 2 Installation combinée selon la revendication 1 caractérisée en ce que la pompe ( 6) comporte un prolongement tubulaire ( 52) à sa partie inférieure et ladite chemise interne ( 34) comporte un prolon- gement tubulaire ( 53) à sa partie supérieure et en ce que ces prolongements tubulaires ( 52, 53) peuvent coulisser l'un dans l'autre de manière étanche ( 54, 62), de sorte qu'ils forment ensemble une paroi, délimitant ledit passage annulaire ( 56; 80; 84,85) inté- rieurement. 3 Installation combinée selon la revendication 19 caractérisée en ce qu'un conduit ( 57) traverse la pompe ( 6) de haut en bas et relie le dessus de la pompe audit passage annulaire ( 56; 80). 4 Installation combinée selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un moyen de communication ( 58) est ménagé entre un orifice de sortie ( 22) de la pompe et ledit passage annulaire ( 56; 84,85). Installation combinée selon la revendication 3, dans laquelle la pompe ( 6) produit un fluide de production qui passe dans un espace annulaire ( 5) entourant le tube de production ( 2), caractérisée en ce que des ouvertures ( 63) sont ménagées dans le tube de production ( 2) et en ce qu'un tiroir ( 67) est disposé de manière à mettre la chambre de commande ( 40) en communication soit avec ledit passage annu- laire ( 56) soit avec lesdites ouvertures ( 63) suivant que ledit passage annulaire ( 56) est sous pression ou non. 6 Installation combinée selon la revendication 3, dans lauquelle l'enve- loppe ( 7) de la pompe ( 6) est reliée au corps ( 25) de la vanne ( 24) par un tube ( 76) et dans laquelle la pompe ( 6) produit un fluide de production qui passe par un espace ( 23) compris entre l'enveloppe ( 7) de la pompe ( 6) et le tube de production ( 2), caractérisée en ce qu'un passage auxiliaire ( 90) est ménagé entre le tube de production ( 2) d'une part et ledit tube ( 76) et ledit corps ( 25) d'autre part, passage auxiliaire ( 90) qui est en communication avec ledit espace ( 23), et en ce qu'un tiroir ( 67) est disposé de manière à mettre la chambre de commande ( 40) en communication soit avec ledit passage annulaire ( 80) soit avec ledit passage auxiliaire ( 90) suivant que ledit passage annulaire ( 80) est sous pression ou non.