Brevet FR2557664A1 — publié le 19850705

Vanne de sécurité, en particulier Dour fermer un puits de pétrole. L'invention concerne une vanne de sécurité, pouvant opérer sous haute pression et en présence d'un fort débit. Elle s'ap- plique particulièrement, mais non exclusivement, aux vannes qui sont mises en place notamment en tête de puits d'hydro- carbures afin d'en assurer la fermeture pour des raisons de sécurité. Il est connu d'utiliser des vannes à boisseaux sphériques, y compris comme vannes de sécurité en tête de puits. Dans leur structure générale, ces vannes comportent un corDs de vanne de forme générale cylindrique, un boisseau sphérique guidé à pivotement dans ce corps autour d'un axe perpendicu- laire à celui de son perçage, des moyens de commande compre- nant une chemi.se coulissante propre à déplacer le boisseau sphérique entre une position d'ouverture et une position de fermeture, et deux portées percées, propres à définir un massage dans le corps de vanne avec le perçage du boisseau lorsque ce dernier est dans sa position d'ouverture. Cependant, les vannes connues présentent différents inconvé- nients. Tout d'abord, elles font appel la plupart du temps à deux étriers entourant le boisseau sphérique, et chargés l'un d'assurer son soutien à pivotement, et le second son actionnement entre les positions ouverte et fermée. Cette disposition conduit à un diamètre extérieur de la vanne im- portant. De plus, avec un mécanisme à deux étriers du genre indiqué cidessus, le bras de levier disponible pour la commande du boisseau sphérique est assez faible. On mesurera mieux la portée de cet inconvénient après avoir remarqué qu'une vanne de sécurité pour puits doit pouvoir opérer sous 700 bars de pression ou plus, avec un fort débit correspondant à un passage intérieur de 7,62 centimètres (3 pouces). Disposant d'un faible bras de levier pour la commande d'une telle vanne, il est nécessaire de prévoir pour son actionnement une pression hydraulique importante. Un autre problème est rencontré dans le cas particulier des vannes de sécurité: lors de leur actionnement, celles-ci doivent pouvoir sectionner différents types de câbles et tubulures qui ont été introduits à travers le boisseau sphérique. La présente invention vient permettre de résoudre ces problèmes. A cet effet, l'invention propose une vanne de sécurité du type précité, dans laquelle la chemise placée à l'intérieur du corps de vanne, supporte le boisseau sphérique à pivote- ment autour de son axe, l'une des portées étanches étant solidaire de cette chemise et restant au contact du boisseau sphérique, tandis que l'autre est solidaire du corps de vanne; il est prévu, entre le corps de vanne et le boisseau sphérique, une coopération de came réversible, en une zone décalée de l'axe de pivotement du boisseau sphérique. Le coulissement de la chemise de commande le long du corps de vanne se traduit alors par un déplacement combiné de trans- lation du boisseau et de pivotement de celui-ci autour de cette zone de came. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le corps de vanne est muni, au niveau du boisseau sphérique, d'une barre traversante fixe, montée parallèlement à l'axe de pivotement du boisseau sphérique, et de manière décentrée par rapport à celui-ci; le boisseau sphérique comporte une échancrure radiale qui s'étend parallèlement à son axe de pivotement sur toute sa largeur, la barre et l'échancrure restant en coopération de came réversible lors du mouvement du boisseau entre sa position d'ouverture et sa position de fermeture. On peut ainsi obtenir un important bras de levier, en parti- culier lorsque la barre est positionnée pour se trouver en limite de contact avec l'échancrure du boisseau sphérique, lorsque celui-ci est dans sa position de fermeture. Selon un autre aspect de l'invention, le boisseau sphérique est incliné dans sa position de fermeture. En d'autres termes, l'un des points de la portée qui demeure au contact de ce boisseau sphérique est alors au voisinage immédiat d'un bord du perçage de ce même boisseau sphérique. Ceci permet de limiter la course nécessaire à la rotation du boisseau et par conséquent la longueur de la vanne. Enfin, selon un autre aspect de l'invention, le boisseau sphérique et la portée solidaire de la chemise sont agencés pour coopérer à la façon d'une cisaille lors de la fermeture de la vanne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa- raltront à l'examen de la description détaillée qui va suivre, et des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue générale en coupe longitudinale verticale d'une vanne selon la présente invention; - les figures 2A à 2C sont des coupes partielles, légèrement agrandies par rapport à la figure 1, et illustrant trois positions du boisseau sphérique; - la figure 3 est une vue en coupe également agrandie par rapport à la figure 1, et montrant plus en détail les moyens de commande de la vanne; et - les figures 4A et 4B sont respectivement une vue en coupe suivant la ligne A-A de la figure 2A et une vue partielle latérale correspondante, permettant de mieux comprendre la disposition du boisseau sphérique dans le corps de vanne. Le mode de réalisation décrit et représenté concerne une vanne normalement fermée. Cependant, les principes de la pré- sente invention s'appliquent tout aussi bien à une vanne nor- malement ouverte. Il est maintenant fait référence aux figures 1 à 3. La vanne comprend un corps de vanne 1 de forme générale cylindrique. En partie supérieure, le corps de vanne reçoit un embout 8 qui vient en prise sur le corps de vanne 1 par un filetage 81. Dans cet embout 8 est ménagé un passage axial alésé 80. Dans sa partie basse, ce passage 80 guide une chemise de commande 3, qui est également de forme générale cylindrique. Des joints 83 et 84 assurent une étanchéité entre l'embout 8 et la chemise 3. Extérieurement, la partie basse de l'embout 8 est également munie de joints 82 assurant l'étanchéité à l'é- gard de la paroi interne du corps de vanne 1. Enfin, l'embout 8 est traversé axialement par deux conduits 60 et 70, qui servent respectivement à commander l'ouverture et la fermeture de la vanne. Plus bas, le corps de vanne définit intérieurement un épaule- ment 11. Cet épaulement reçoit en butée une bague 9, alésée intérieurement pour recevoir avec une tancbhité 91 l'extré- mité basse de la chemise 3. Sous l'épaulement 11, le corps définit une saillie annulaire alésée 12, qui guide la bague 9 avec interposition d'une étanchéité 93. Ce guidage est réalisé de telle sorte qu'au-dessus de l'épaulement 11, il subsiste un jeu périphérique autour de la bague 9, entre celle-ci et le corps 1. Un conduit 90 part du mince espace annulaire défini par ce jeu, pour aboutir dans la face supé- rieure 94 de la bague 9. Par ailleurs, la bague 9 est maintenue en place par une che- mise fixe 19, qui s'appuie sur cette même bague à son extré- mité basse. En haut, la chemise 19 se termine par un amincis- sement venant se loger avec une étanchéité 85 sur le bas de l'embout 8. Là encore, un jeu subsiste entre la paroi externe de la chemise fixe 19 et le corps de vanne 1.Ce jeu définit une conduite annulaire communiquant vers le haut avec le conduit de commande de fermeture 70, et vers le bas avec la tubulure 90. Les étanchéités 82 à 85 ainsi que 93 assurent l'absence de fuite dans ce passage de communication annulaire. La chemise de commande 3 comporte un épaulement annulaire fileté 30, tourné vers l'extérieur, sur lequel vient se fixer un premier piston annulaire 61. Une étanchéité 32 est prévue entre ce premier piston et la chemise 3. Le piston 61 coulisse à l'intérieur de la chemise fixe 19 du corps de vanne 1, avec interposition d'une étanchéité 62. Le conduit de commande d'ouverture de la vanne, notée 60, débouche dans le cylindre annulaire 69 défini au-dessus du premier piston 61. Au-dessous de ce premier piston 61, une cavité annulaire 66 est définie entre la chemise fixe 19 et la chemise de commande 3. Cette cavité est délimitée vers le bas par un second pis- on annulaire 71, rmuni de part et d'autre d'étanchéités 78 et 79. Sur la fiaure 1, le piston 71 est illustré en deux positions différentes 71A et 71C, dont on verra plus loin la signification. Le mouvement de ce second piston 71 vers le haut, par rapport à la chemise de commande 3, est limité par un épaulement 31 que porte cette même chemise. En sa position 71C, le second piston est en butée sur cet épaulement 31. Un second cylindre annulaire 95 est alors défini sous le piston 71, et ce cylindre communique avec la tubulure 90 déjà citée. Sur le bas de la chemise de commande 3 est vissé un embout annulaire 36, avec interposition d'une étanchéité 39. La chemise 3 bute sur un épaulement radial interne 34 de cet embout. Sous cet épaulement est montée une portée 4, égale- ment annulaire, coaxiale à la chemise 3, et percée d'un alésage correspondant à celui de la chemise. Une étanchéité est prévue entre la périphérie externe de la portée 4 et l'embout 36. Cet embout comporte encore deux prolongements vers le bas formant un étrier 35. La figure 4A montre comment cet étrier est muni de doigts 21, qui lui permettent de supporter à rotation le boisseau sphérique 2. Celuici est muni d'un perçage alésé 20, d'axe 22. Le boisseau sphérique comporte deux méplats 101 et 102, perpendiculaires à l'axe de pivote- ment 21 du boisseau et qui coopèrent avec les deux étriers 35. C.es derniers ont chacun, en plus de leur surface plane coo- pérant avec le méplat 101 ou 102, une surface 103 ou 104 cor- respondant à une partie de cylindre de diamètre égal au dia- mètre externe du boisseau sphérique. Il en résulte que ce dernier diamètre est avantageusement pratiquement égal, mais légèrement inférieur, au diamètre interne du corps de vanne 1. Dans la position de fermeture, la calotte supérieure 29 du boisseau est maintenue en légère précontrainte sur l'étan- chéité correspondante 45 de la portée 4. A gauche de la figure 1, le bord extrême de l'alésage 20 est normalement chanfreiné. A droite, le bord de l'alésage est à peine chan- freiné, de manière à être coupant. En correspondance, la portée 4 présente, dans sa partie au contact du boisseau sphérique, une saillie pointue 41, qui pourra former une cisaille avec le bord coupant du boisseau sphérique 2. Une échancrure fraisée 25 est ménagée radialement dans la calotte inférieure 28 du boisseau sphérique 2. Cette échan- crure s'étend sur toute la largeur du boisseau sphérique, parallèlement à son axe de pivotement 21. Elle loge une barre traversante fixe 15, montée également parallèle à l'axe de pivotement 21 du boisseau sphérique, et de manière décentrée par rapport à celui-ci. Enfin, en partie basse, le corps de vanne 1 reçoit un embout inférieur 50, qui lui est vissé en 51. Cet embout définit la seconde portée 5 de la vanne. Une étanchéité est de pré- férence définie en 52 avec le boisseau sphérique, et en 53 avec la périphérie du corps de vanne. Avantageusement, le logement 66 du ressort 65 est rempli d'azote sous pression. Ce remplissage s'effectue à partir d'un orifice latéral 99 placé au niveau de l'épaulement 11. Lors du montage du corps de vanne, on termine par la mise en place de la chemise fixe 19 et de l'embout supérieur 8. L'extrémité de la chemise 19 n'est qu'incomplètement rentrée, s'arrêtant par exemple au niveau de la flèche 98. On met alors sous pression l'espace 66 par de l'azote introduit par le bouchon 99. Cet azote passe dans l'évidement annulaire prévu autour de la bague 9 et remonte par là jusqu'au loge- ment 66, puisque la chemise 19 ne l'obture pas encore. La chemise 19 est ensuite mise en place par l'embout supérieur 8. L'alimentation en azote peut alors être débranchée de l'ori- fice 99. L'azote injecté dans la chambre 66 est piégé par les étanchéités 78, 79, 62 et 32. La figure 2A illustre la vanne de sécurité dans la position d'ouverture. Le boisseau sphérique 2A est ici au contact de ses deux portées 4 et 5. Comme l'échancrure 25 aboutit dans le perçage 20 de ce boisseau, l'espace qui entoure le bois- seau sphérique est également rempli de fluide. Mais ce fluide est arrêté par les étanchéités prévues en 39, 93 et 53. Dans cette position, le second piston annulaire est dans sa position inférieure 71A, et le premier piston annulaire 61 (non représenté sur la figure 2A) a fait avancer la chemise de commande 3 vers le bas, par application d'une pression de fluide dans le cylindre 69 à travers la tubulure 60. Lorsqu'on cesse d'appliquer la pression dans le conduit 60, pour la transmettre au contraire au conduit de fermeture 70, le piston 71B, qui est en butée sur l'épaulement 31 de la chemise de commande 3, fait remonter celle-ci vers le haut. L'étrier 35 rendu solidaire de la chemise 3 par son embout 36 sollicite alors vers le haut l'axe de pivotement du bois- seau sphérique 2. Le boisseau est ainsi animé d'un mouvement de translation/rotation qui le fait pivoter autour de la barre 15. La figure 2B montre que la calotte supérieure du boisseau 2 glisse sur la partie gauche de la portée supé- rieure 4. Lorsqu'on arrive presque à la position de fermeture, les arêtes 26 et 41 peuvent sectionner différents équipements descendus dans le puits, comme un câble C, ou une tubulure. Il peut s'agir d'un petit câble électrique mono-brin ou multi-brins, ou encore d'un tube mince (par exemple 2,5 cm de diamètre extérieur pour 3 mm d'épaisseur). Après ces éventuelles opérations de sectionnement, le boisseau sphérique arrive dans sa position de fermeture 2C, illustrée sur la figure 2C. Cette position est légèrement inclinée. On voit aussi que le fluide de commande appliqué au cylindre annulaire inférieur 95 a fait remonter complète- ment le second piston annulaire en 71C. La figure 1 montre encore que la pression de fluide à maitri- ser régnant à l'intérieur de la vanne facilite sa fermeture. En effet, le diamètre externe de la chemise 3 au niveau de la chambre 69 est légèrement inférieur (d'environ 2 mm) à celui de la chemise 3 au riveau du joint 39. La pression de 35. fluide à maitriser tend donc elle aussi à faire remonter la chemise 3 vers le haut. L'examen des figures 2A à 2C permet de percevoir différentes autres caractéristiques de l'invention: -Dans la position fermée du boisseau sphérique, la barre 15 se trouve en limite de contact avec l'échancrure 25 de ce boisseau sphérique. - La figure 2C montre qu'en position de fermeture, l'un des points de la portée 4 est au voisinage immédiat d'un bord 26 du perçage 20 du boisseau sphérique 2. - Dans la même position, l'axe 22 du perçage 20 du boisseau forme un angle d'environ 10 avec la section droite du corps de vanne (9 sur la figure 2C), o l'angle entre l'axe du perçage du boisseau et le plan radial passant par l'axe de la barre 15 est, pour sa part, de 55 . - Le diamètre extérieur du boisseau sphérique 2 est sensible- nient égal au diamètre intérieur du corps de vanne cylindrique 1, aucune pièce mobile n'étant interposée entre les deux. - Dans la pcosition d'ouverture de la vanne (figure 2A), la 2,5 barre 15 vient très près de la portée 4 qui se trouve soli- daire de la chemise 3. On remarque encore sur la figure 2C que c'est la calotte 29 du boisseau sphérique qui supporte les contraintes liées à la pression de fluide existant lors de la fermeture. Au con- traire, la calotte iifOfriure 28, qui porte l'échancrure 25, ilest pratiquement pas soumise à ces contraintes. Us autre aspect important de l'invention est la solidité de la barre 15 et de sa fixation dans le corps de vanne. Cette fixation est illustrée sur les figures 4A et 4B. Le corps de vanne 1 comporte deux perçages cylindriques propres à recevoir les extrémités de la barre 15. A gauche, une goupille 14 est vissée dans le corps de vanne pour former un arrêt en rota- tion de la barre 15, qui comporte un joint torique d'étanchéi- té 16. Compte tenu de la position de la goupille 14, l'extré- mité gauche de la barre 15 est usinée pour se conformer au profil externe du corps de vanne 1. A droite, l'extrémité de la barre 15 comporte un second joint torique d'étanchéité 17. Plus à droite, la barre est munie d'une languette 18 formant épaulement en saillie. Le profil externe de cette languette est en arc, la longueur de cet arc étant de l'ordre de 90 . Au moment de la mise en place de la barre 15, la languette 18 est dans sa position 18A. On la fait ensuite tourner de pour l'amener à la position 18B, o elle s'engage dans une échancrure annulaire correspondante 49 du corps de vanne 1. Enfin, dans la position définitive de la barre 15, son bord de droite épouse en continuité le profil externe cylindrique du corps de vanne 1. La barre 15 est arrêtée en rotation par la goupille 14. La vanne selon la présente invention offre en particulier les avantages suivants: - corps de vanne monobloc, dont l'alésage intérieur cylindri- que est utilisé au maximum, et totalement rempli par le boisseau sphérique; - obtention d'un bras de levier important pour la commande du boisseau sphérique, par l'interaction de la barre 15 et de l'échancrure 25. - Fonction de fermeture de la vanne réalisée par la calotte sphérique 29, qui n'est pas usinée, alors que c'est l'autre calotte sphérique 28 qui reçoit l'échancrure 25. r Excellentes caractéristiques mécaniques notamment pour tra- vailler à haute pression et sous fort débit, tout en conser- vant un encombrement réduit. Revendications. 1. Vanne, en particulier pour fermer un puits, du type comprenant: un corps de vanne (1) de forme générale cylindrique, un boisseau sphérique (2) guidé à pivotement dans ce corps autour d'un axe (21) perpendiculaire à celui de son perçage (20), des moyens de commande, comprenant une chemise coulissante (3) propre à déplacer le boisseau entre une position d'ou- verture (2A) et une position de fermeture (2C), et deux portées percées (4,5) dont l'une (4) au moins est étan- che, propres à définir un passage dans le corps de vanne avec le perçage (20) du boisseau lorsque ce dernier est dans sa position d'ouverture (2A), caractérisée en ce que la chemise (3), placée à l'intérieur du corps de vanne (1), supporte le boisseau sphérique (2) à pivotement autour dudit axe (21), l'une (4) des portées étant solidaire de cette chemise (3) et restant en contact du boisseau sphérique (2), tandis que l'autre (5) est soli- daire du corps de vanne (1), et en ce qu'il est prévu, entre le corps de vanne (1) et le boisseau sphérique (2), une coopération de came réversible (15, 25), en une zone décalée de l'axe de pivotement (21) dudit boisseau sphérique (2), le coulissement de la chemise (3) le long du corps de vanne (1) se traduisant par un déplacement combiné de translation du boisseau et de pivotement de celui-ci autour de ladite zone de came. 2. Vanne selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps de vanne (1) est muni, au niveau du boisseau sphé- rique, d'une barre traversante fixe (15), montée parallè- lement à l'axe de pivotement (21) du boisseau sphérique, et de manière décentrée par rapport à celui-ci, et en ce que le boisseau sphérique (2) comporte une échancrure radiale (25) qui s'étend parallèlement à son axe de pivote- ment (21) sur toute sa largeur, la barre (15) et l'échancure (25) restant en coopération de came réversible lors du mou- vement du boisseau entre sa position d'ouverture et sa posi- tion de fermeture. 3. Vanne selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit boisseau sphérique comporte deux méplats (101-102) et en ce que la chemise (3) supporte le boisseau sphérique (2) à pivotement par l'intermédiaire d'un étrier (35) qui la prolonge, ladite barre (15) évitant cet étrier, ledit étrier ayant deux surfaces planes coopérant avec lesdits méplats (101,102). 4. Vanne selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que, dans la position de fermeture du boisseau sphérique, l'un (45) des points de la portée (4) qui demeure au contact de ce boisseau sphérique est au voisinage immédiat d'un bord (26) du perçage (20) de ce même boisseau sphérique (2). 5. Vanne selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la barre (15) est positionnée pour se trouver en limite de contact avec l'échancrure (25) du boisseau sphérique, lorsque celui-ci est dans sa position de fermeture. 6. Vanne selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que, dans la position de fermeture (2C) du boisseau sphérique, l'axe (22) du perçage (20) de celui-ci forme un angle d'environ 10 avec la section droite du corps de vanne (1) 7. Vanne selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que ladite portée (4) solidaire de la chemise est positionnée avec une légère précontrainte sur la surface externe (29) du boisseau sphérique. 8. Vanne selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que le boisseau sphérique (2) et la portée (4) soli- daire de la chemise sont agencés pour coopérer à la façon d'une cisaille (2B) lors de la fermeture de la vanne. 9. Vanne selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que ladite barre (15) est logée de façon imperdable dans le corps de vanne, tout en s'inscrivant en continuité du profil cylindrique externe de celui-ci. 10. Vanne selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le diamètre extérieur du boisseau sphérique (2) est sensiblement égal au diamètre intérieur du corps de vanne (1) à son niveau. 11. Vanne selon l'une des revendications 2 à 10, caractérisée en ce que ladite échancrure (25) est un fraisage réalisé dans la calotte du boisseau sphérique ne participant pas à l'étanchéité par contact avec la portée solidaire de la chemise,en position de fermeture de la vanne. 12. Vanne selon l'une des revendications 2 à 11, caractérisée en ce que la chemise coulissante est en partie basse munie de pièces d'extrémité (36, 4) soumises à la pression du flui- de provenant du puits, et offrant une section droite (37) tournée vers le bas supérieure à la section droite (38) tournée vers le haut, si bien que la pression de fluide du puits tend à faciliter la fermeture de la vanne. 13. Vanne selon l'une des revendications précédentes, carac- térisée en ce qu'elle comporte une tubulure de commande d'ouverture (60), une tubulure de commande de fermeture (70), -57664 un premier piston annulaire (61) solidaire de la chemise de commande (3), coulissant dans le corps de vanne, et soumis à l'action de la tubulure de commande d'ouverture, un second piston annulaire (71) coulissant entre le corps de vanne (1) et la chemise (3), et soumis à l'action de moyens de rappel élastique (65), tendant à l'éloigner du premier piston, et des moyens (72) pour amener la pression de la tubulure de fermeture (70) sur ce second piston (71) par le bas, le second piston venant alors s'appuyer sur un épaulement (31) de la chemise de commande (3) pour faire remonter celle-ci et produire la fermeture de la vanne. 14. Vanne selon la revendication 13, caractérisée en ce que les moyens de rappel élastique (65) sont logés dans une enceinte annulaire étanche (66) mise sous pression d'azote.