Brevet FR2569760A1 — publié le 19860307

25S69760 Dans un puits de pompage de fluide, tel qu'un puits de pétrole, le pétrole provenant de la formation du puits s'écoule dans un conduit du puits, tel qu'une colonne de production, et jusqu'à la pompe à partir de laquelle il est ensuite refoulé jusqu'à la surface du puits. Cependant, il est parfois souhaitable d'arrêter l'écoulement de pétrole depuis la formation et dans le conduit, par exemple pendant des opérations de recon- ditionnement. Ainsi, la pompe étant arrêtée, le pétrole provenant de la formation continue à s'écouler dans le conduit et monte dans celui-ci en gênant les opérations de reconditionnement du puits. En conséquence, selon une particularité de la pré- sente invention, il est prévu une soupape de sûreté pour arrêter l'écoulement de fluide en train d'être produit dans un puits par une pompe, et plus spécifiquement la présente invention a pour but de commander une soupape de sécurité d'un puits par le niveau de fluide existant dans le conduit du puits. Le niveau de fluide dans un puits lorsque la pampe est en train de fonctionner, est situé plus bas, que le niveau de fluide lorsque le pompage est arrêté. Ainsi, quand la pompe du puits est arrêtée, le fluide se trouvant dans le conduit dans la zone de la pompe commence à monter et à s'accumuler. La présente invention utilise les différences entre les niveaux du fluide avant et après pompage de façon à créer des pressions hydrostatiques différentes qui commandent la soupape de sQreté. La présente invention concerne une soupape de sOreté pour puits actionnée par niveau de fluide et utilisable dans un conduit de puits par l'intermédiaire duquel du fluide est pompé. La soupape de sûreté com- prend un corps adapté pour être inséré dans le conduit et elle est pourvue d'un passage permettant l'écoule- ment de fluide du puits vers le haut dans le conduit. 2 2569760 Une soupape est positionnée dans le passage et comporte un siège et un élément obturateur servant à ouvrir et fermer le passage. Il est prévu dans le corps un moyen de sollicitation qui est relié à 1 'élément obturateur de la soupape et qui agit dans une direction provoquant l'ouverture de la soupape. Un moyen sensible à un niveau de fluide est relié à l'élément obturateur et est placé en aval de la soupape en étant adapté pour être soumis à la force hydrostatique du fluide régnant dans le con- duit au-dessus de la soupape afin de déplacer le moyen sensible au fluide dans une direction provoquant la fermeture de la soupape quand la pression hydrostatique du fluide contrebalance la force du rmoyen de sollicitation. Selon un autre objet de la présente invention, la soupape de sûreté comporte une soupape d'égalisation pourvue d'un siège et d'un élément obturateur pour éga- liser les pressions de part et d'autre de la soupape de sQreté avant l'ouverture de cette dernière. Selon encore un autre objet de la présente inven- tion, il est prévu une soupape de sûreté qui se ferme lorsque le pompage est arrêté et lorsque la quantité de fluide dans le conduit et dans l'espace annulaire entourant la pompe augmente. Un mode de réalisation comporte un soufflet qui est relié au mécanisme d'ac- tionnement de la soupape de streté afin d'assurer sa fermeture lors d'une augmentation de pression à l'ex- térieur du soufflet qui est provoquée par la pression hydrostatique du fluide au-dessus de la soupape dans le conduit. La pression à laquelle la soupape se ferme est déterminée par une charge de gaz placée à l'inté- rieur du soufflet. En conséquence, lorsque le pompage cesse et lorsque le fluide commence à monter au-dessus de la soupape, la pression agissant à l'extérieur du soufflet augmente, sous l'effet de l'augmentation de la pression hydrostatique du fluide, jusqu'à ce qu'elle contrebalance la pression de la charge de gaz se trou- vant à l'intérieur du soufflet et la soupape se ferme. Un autre objet de la présente invention est de créer une soupape de sûreté dont la réouverture se pro- duit lors d'une réduction du niveau du fluide dans le conduit du puits après une première égalisation de la pression dans la soupape de sûreté. Selon encore un autre objet de la présente invention, il est prévu une soupape de sûreté pour puits actionnée par niveau de fluide et utilisée dans un conduit d'un puits par l'intermédiaire duquel un fluide est pompé, la soupape étant munie d'un corps adapté pour être introduit dans le conduit et pourvu d'un passage d'écoulement ascendant du fluide du puits par l'intermédiaire du conduit. Il est prévu dans le passage une soupape comportant un siège et un élément obturateur servant à ouvrir et fermer le passage. Un moyen de sollicitation prévu dans le corps est relié à la tige de soupape et l'élément obturateur est relié télescopiquement à la tige de soupape et est mobile dans une direction produisant l'ouverture de la soupape en réponse au moyen de poussée. Un moyen sensible à un niveau de fluide est relié à la tige de soupape et est placé en aval de la soupape en étant adapté pour être soumis à la force hydrostatique engendrée par le fluide dans le conduit au-dessus de la soupape afin de déplacer la tige de soupape dans une direction provoquant la fermeture de la soupape quand la pression hydrostatique régnant dans le conduit contrebalance la force du moyen de sollicitation. Une soupape d'égalisation est reliée à la tige de soupape et comprend un siège et un élément obturateur pour égaliser la pression dans la première soupape avant l'ouverture de la première soupape. L'élément obturateur de la première soupape est relié télescopiquement à la tige de soupape pour permettre à l'élément obturateur 4 2569760 de la soupape d'égalisation de s'ouvrir avant l'ouverture de l'élément obturateur de la première soupape. De pré- férence, des ressorts sont disposés entre la tige de soupape et l'élément obturateur de la première soupape pour pousser la soupape d'égalisation dans la position de fermeture. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mis en évidence, dans la suite de la des- cription, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexes dans lesquels: la Fig. 1 est une vue en élévation schématique, en partie en coupe, de la soupape de streté conforme à la présente invention,qui est mise en place dans un conduit de puits et qui est représentée dans la posi- tion de fermeture; la Fig. 2 est une vue en élévation schématique, en partie en coupe, de la soupape de sIreté conforme à la présente invention, qui est placée dans un conduit de puits et qui est représentée dans la position d'ou- verture; les Fig. 3A, 3B et 3C sont des continuations l'une de l'autre et elles montrent un outil de montage relié à la soupape de sûreté de la présente invention et la maintenant pour son installation dans un conduit de puits; la Fig. 4 est une vue en élévation fragmen- taire à échelle agrandie et en coupe montrant l'outil de montage qui est relié à la soupape de sCreté et qui la maintient dans la position ouverte pour son insertion dans un conduit de puits; la Fig. 5 est une vue en élévation fragmen- taire, en coupe au quart, de la soupape de sreté de la présente invention, représentée dans la position fermée; la Fig. 6 est une vue semblable à la Fig. 5 2569760 et montrant la soupape dans une position d'égalisation; la Fig. 7 est une vue semblable aux Fig. 5 et 6 et montrant la soupape dans la position ouverte; et la Fig. 8 est une vue en coupe faite selon la ligne 8-8 de la Fig. 5. En référence maintenant aux dessins, et en particulier aux Fig. 1 et 2, un conduit de puits ou tubage 10 s'étend à partir de la surface du puits vers le bas jusqu'à une formation de production de fluide 12, comme une formation de pétrole, et le tubage 10 comporte des perforations 14 permettant un écoulement de pétrole de la formation 12 jusqu'à l'intérieur du conduit de puits ou tubage 10. Une pompe classique 16, comme une pompe électrique commandée par un cable électrique 18, est disposée à l'intérieur du tubage 10 pour pomper du liquide ou de l'huile vers la surface par l'intermé- diaire d'une colonne de production 20. Typiquement, le niveau de fluide de pompage dans le tubage 10 se situe au niveau 221. Cependant, si la pompe est arrêtée, le niveau du fluide dans le tubage 10 peut monter au-dessus du niveau d'arrêt de fluide 24 désiré. La présente invention a pour but de créer une soupape de sQreté pour puits servant à commander le niveau du liquide dans celui-ci, cette soupape, désignée dans l'ensemble par la référence numérique 30, étant positionnée dans le conduit de puits ou tubage 10 et étant supportée dans celui-ci par un élément porteur 32 qui est accouplé à une garniture d'étanchéité de puits 34 classique. La soupape 30 est prévue pour ar- rêter l'écoulement de fluide provenant de la formation 12 pendant des opérations de reconditionnement ou dans d'autres conditions lorsque la pompe 16 est arrêtée. Un objet de la présente invention consiste à commander la soupape de sCreté 30 par le niveau de fluide existant dans le tubage 10 en évitant ainsi l'utilisation de commandes plus coûteuses et plus compliquées. 6 2569760 Pendant des opérations de pompage, lorsque la pompe 16 est actionnée, le niveau de fluide dans le puits se situe typiquement au niveau 22 qui est placé plus bas que le niveau 24. La soupape 30 de la pré- sente invention est conçue pour se fermer lorsque la pompe 16 est arrêtée et lorsque le niveau du fluide dans l'intervalle annulaire existant dans le conduit atteint un niveau élevé prédéterminé, tel que le niveau 24. En outre, la soupape 30 est agencée de manière à s'ouvrir quand la pompe 16 est actionnée et quand le niveau du fluide tombe à un niveau bas prédéterminé, tel que le niveau 22. Ainsi, la soupape est conçue pour se fermer quand le niveau du fluide ayant atteint les positions H1 et H2, engendre une pression hydrostatique suffisante pour fermer la sou- pape 30. Cependant, lorsque le niveau diminue seulement jusqu'à H2, la force hydrostatique correspondant au niveau H2 est insuffisante pour fermer la soupape 30, et cette soupape 30 est ouverte comme le montre mieux la Fig. 2. En référence maintenant aux Fig. 3A, 3B et 3C, la soupape 30 est représentée comme étant reliée à un outil de montage 36, et de préférence à un élément porteur 32 en vue d'une installation dans le tubage 10 sur la garniture d'étanchéité de puits 34. La soupape comprend d'une façon générale un carter ou corps 38 adapté pour être inséré dans le conduit 10, et elle est pourvue d'un passage 40 comportant une entrée 42 et une sortie se composant d'orifices 44 de manière que le fluide provenant de la formation 12 s'écoule au travers de la garniture d'étanchéité 34, à l'inté- rieur de l'organe de suspension 32, dans l'entrée 42 pour sortir par les orifices 44 vers l'intérieur du tubage 10. Une soupape principale est prévue dans le passage 40 et elle comprend un siège 46 et un élément 7 2569760 obturateur 48 pour ouvrir et fermer le passage 40. Des moyens de sollicitation appropriés sont prévus dans le corps et peuvent comprendre une chambre à gaz sous pression 50, comportant une charge de gaz tel que de l'azote, qui est en relation fluidique avec une tige de soupape mobile 52 qui est déplaçable télesco- piquement dans le corps 38 et qui est accouplée à l'élément obturateur 48 dans une direction permettant de positionner cet éléennt obturateur 48 jusque dans la position d'ouverture. Un moyen sensible à un niveau de fluide, tel qu'un soufflet 54, est disposé entre la tige de soupape 52 et le corps 38 et il est posi- tionné en aval de la soupape principale en étant placé en communication, par l'intermédiaire d'un orifice 56, avec l'extérieur du corps 38 de façon à être soumis à la force hydrostatique du fluide régnant dans le conduit 10. Le c6té intérieur du soufflet 54 est soumis à la pression du gaz se trouvant dans la chambre 50 par l'intermédiaire d'orifices 58 de la tige de soupape 52. En conséquence, la force hydro- statique du fluide se trouvant dans le conduit 10 agit sur le soufflet 54 dans une direction provoquant une contraction du soufflet 54 et une fermeture de la soupape principale quand la pression hydrostatique régnant dans le tubage 10 dépasse la pression du gaz dans la chambre 50. Il va de soi que d'autres types de moyens de poussée et de moyens sensibles à un niveau de fluide peuvent être utilisés, par exemple un piston sollicité par ressort et qui est soumis au niveau du fluide dans le conduit 10. En référence maintenant aux Fig. 3B et 4, le corps 38 de la soupape de sûreté 30 compcrte un élément d'encliquetage 60 qui est poussé vers l'extérieur par un ressort 62. Cependant, lors de l'actionnement de la soupape 30 dans le conduit 10, la jupe 64 de l'outil de 8 2569760 montage 36 entre en contact avec l'élément d'encliquetage et le pousse vers l'intérieur de façon à l'engager dans un évidement 66 ménagé dans la tige de soupape 52 afin de maintenir la soupape 30 dans la position d'ou- verture pendant l'opération de montage. Après l'instal- lation de la soupape 30 et après enlèvement de l'outil de montage 36, l'élément d'encliquetage 60 est libéré par le ressort 62. L'outil de montage 36 entoure la partie supé- rieure de la soupape 30 par la jupe 64 et supporte la soupape 30 et l'organe de suspension 32 au moyen d'une fente 68 en forme de J qui supporte la soupape 30 à partir des broches 70 reliées à l'extérieur de la sou- pape 30. L'outil de montage 36 comprend un manchon in- térieur 72 qui est poussé vers le bas par un ressort 74 contre la partie supérieure de la soupape 30 en vue de maintenir initialement les broches 70 dans la fente en J 68 afin de supporter la soupape et l'organe de sus- pension 32. Lorsque la position de la garniture d'étanchéité 34 est atteinte, le joint d'étanchéité 76 prévu sur l'organe de suspension 32 est inséré au centre de la garniture 34, l'organe de suspension 32 est ensuite tourné de manière que le filetage 78 entre à l'intérieur de la garniture d'étanchéité 34 pour supporter l'organe de suspension 32 et la soupape 30 à partir de la gar- niture d'étanchéité 34. Ensuite, un mouvement de des- cente et une rotation vers la droite de l'outil de montage 36 libère cet outil 36 par rapport à la soupape 30. En référence maintenant à la Fig. 5, la soupape est représentée dans la position fermée. Ainsi, la pression hydrostatique du fluide se trouvant dans le conduit 10 et pénétrant dans l'orifice 56 agit sur le côté extérieur du soufflet métallique 54 de façon à vaincre la pression du gaz se trouvant dans la chambre 50 pour contracter le soufflet 54 et faire monter la tige de soupape 52. Il est à noter que l'élément obturateur 48 de la soupape est supporté télescopiquement à partir de la tige de soupape 52. La soupape 30 comporte également une seconde soupape ou soupape d'égalisation comportant un siège 80 et un élément obturateur 82 servant à ouvrir et fermer un passage 84 pour égaliser la pression dans la première soupape, se composant du siège 46 et de l'élément obtu- rateur 48, avant l'ouverture de cette première soupape. Le siège 80 est fixé à la tige de soupape 52 et l'obtu- rateur 82 peut être placé sur l'élément 48. Le ressort 86 pousse l'élément 48 vers le bas de façon à appliquer l'élément obturateur 82 contre le siège 80 afin de fermer ainsi le passage fluidique 40. Lorsque la pression hydrostatique diminue jusqu'à un niveau inférieur, comme le niveau 22 sur la Fig. 2, la soupape 30 commence à se rouvrir lors de la réduction du niveau de fluide dans le conduit 10. Cependant, pour la réouverture de l'élément obturateur 48, il est souhaitable d'égaliser d'abord les pressions s'exerçant sur l'élément obturateur 48 et sur le siège 46. Lorsque la force hydrostatique s'exerçant sur le côté extérieur du soufflet 54 diminue, la pression engendrée dans la chambre 50 dépasse la pression hy- drostatique et fait descendre la tige de soupape 52. Ce mouvement de descente de la tige de soupape 52 en- traine le siège 80 de la soupape d'égalisation qui est fixé rigidement sur la tige, ce qui provoque l'ouverture du passage 84 et l'égalisation des pressions s'exerçant sur l'élément obturateur 48 et sur le siège de soupape 46, comme le montre mieux la Fig. 6. Cependant, la section de l'élément obturateur 48 qui est exposée au fluide se trouvant en amont dans l'entrée 42 est maintenue en place par les pressions inégales s'exerçant sur l'élément obturateur 48, malgré l'influence du ressort 86, jusqu'à ce qu'il se produise d'une façon générale un équilibrage de pression. Lorsque la pression s'exerçant sur le siège 46 est égalisée, l'élément obturateur 48 se déplace vers le bas sous l'action de la pression régnant dans la chambre 50 afin d'ouvrir la soupape principale et de fermer le siège 82 de la soupape d'égalisation contre l'élément obturateur 80. Ensuite, du fluide s'écoule par l'intermédiaire du passage 40 vers l'in- térieur du conduit de puits 10 et vers la pompe 16. En conséquence, la soupape 30 constitue une soupape de sareté utilisable dans un puits de pompage de pétrole et qui est commandée par le niveau de fluide existant dans le tubage du puits. En référence maintenant à la Fig. 3B, un moyen de sécurité est prévu sous la forme d'un ressort 90 entre un épaulement 92 du corps 38 et un épaulement 94 de la tige 52. En cas de perte de la pression du gaz se trouvant dans la chambre 50, par exemple en cas de défautdusoufflet 54, la soupape 30 reste dans la position d'ouverture. Cependant le ressort 90 est prévu pour faire en sorte que la soupape 30 reste dans la position de fermeture. Ainsi, en cas de fuite dans la chambre 50, les pressions s'exerçant sur des côtés opposés du soufflet 54 sont équilibrées et le ressort ferme la soupape 30. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 11 2569760 REVENDICATIONS 1. Soupape de sûreté pour puits actionnée par ni- veau de fluide et utilisable dans un conduit de puits par l'intermédiaire duquel du fluide est pompé, carac- térisée en ce qu'elle comprend: - un corps (38) adapté pour être introduit dans le conduit (10), ledit corps comportant un passage (40) permettant l'écoulement de fluide du puits vers le haut dans le conduit (10), - une soupape placée dans le passage (40) et comportant un siège (46) et un élément obturateur (48) pour ouvrir et fermer ledit passage (40), - un moyen de sollicitation (50) prévu dans le corps (38) et relié à l'élément obturateur (48) de façon à agir dans une direction provoquant l'ouverture de ladite soupape, et - un moyen sensible au fluide (54) relié à l'élément obturateur (48) et positionné en aval de la soupape en étant adapté pour être soumis à la force hydrostatique produite par le fluide dans le conduit (10) au-dessus de la soupape afin de déplacer le moyen sensible au fluide dans une direction provoquant la fermeture de ladite soupape quand la pression hydrosta- tique du fluide dépasse la force du moyen de poussée (50). 2. Soupape de sûreté selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de poussée comprend une chambre à gaz pressurisé (50). 3. Soupape de sûreté selon la revendication 1, caractérisée ence que le moyen sensible à un fluide comprend un soufflet (54). 4. Soupape de sûreté selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une soupape d'égalisation comportant un siège (80) et un élément obturateur (82) pour-égaliser les pressions 12 2569760 s'exerçant sur la première soupape (46, 48) avant l'ou- verture de cette première soupape. 5. Soupape de sareté selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément obturateur (48) de la première soupape est relié télescopiquement au moyen sensible au fluide (54) et en ce que le siège (80) de la soupape d'égalisation est fixé sur le moyen sensible au fluide (54). 6. Soupape de sareté pour puits actionnée par ni- veau de fluide et utilisable dans un conduit de puits par l'intermédiaire duquel du fluide est pompé, carac- térisée en ce qu'elle comprend: - un corps (38) adapté pour être introduit dans le conduit (10), ledit corps comportant un passage (40) permettant l'écoulement de fluide du puits vers le haut dans le conduit (10), - une soupape placée dans le passage (40) et comportant un siège (46) et un élément obturateur (48) pour ouvrir et fermer ledit passage (40), - un moyen de sollicitation (50) prévu dans le corps (38), - une tige de soupape (52) reliée au moyen de sollicitation (50), - ledit élément obturateur (48) étant relié téles- copiquement à la tige de soupape (52) et étant mobile dans une direction produisant une ouverture de ladite soupape en réponse audit moyen de sollicitation (50), - un moyen sensible au fluide (54) relié à la tige de soupape (52) et positionné en aval de la soupape en étant adapté pour être exposé à la force hydrostatique produite par le fluide dans le conduit (10) au-dessus de la soupape afin de déplacer la tige de soupape (52) dans une direction provoquant la fermeture de ladite soupape quand la pression hydrostatique du fluide se trouvant dans le conduit dépasse la force du moyen de poussée (50), 13 2569760 - une soupape d'égalisation comportant un siège (80) et un élément obturateur (82), le siège de la soupape d'égalisation étant fixé sur la tige de soupape (52) pour égaliser les pressions s'exerçant dans la première soupape (46, 48) avant l'ouverture de cette première soupape. 7. Soupape de sareté selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'élément obturateur (82) de la soupape d'égalisation (80) estrelié à l'élément obtu- rateur (48) de la première soupape. 8. Soupape de sûreté selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'il est prévu un ressort (86) entre la tige de soupape (52) et l'élément obturateur (48) de la première soupape de façon à pousser ladite soupape d'égalisation (80, 82) dans la position de fermeture. 9. Soupape de sûreté selon la revendication 8, caractérisée en ce que le moyen de poussée comprend une chambre à gaz pressurisé (50). 10. Soupape de sûreté selon la revendication 9, caractérisée ence que le moyen sensible au fluide comprend un soufflet (54).