Brevet FR2570793A1 — publié le 19860328

Dans des puits de pétrole et de gaz avec environ- nements très corrosifs, il est parfois souhaitable d'in- jecter des inhibiteurs chimiques dans l'écoulement de production afin d'empêcher un endommagement de la colonne de production du puits. Une soupape d'injection chimique classique est actionnée par un soufflet renfermant une charge de gaz sous pression, comme le type BKLK-2 vendu par Camco, Incorporated. D'une manière classique, la soupape d'injection chimique est placée dans un mandrin à poche latérale, comme le mandrin Camco de type K, dans un conduit du puits et elle est typiquement utilisée pour une injection chimique soit avec écoulement continu soit avec écoulement intermittent dans le puits. La soupape est actionnée en réponse à une pompe de refou- lement de produits chimiques installée en surface, par l'intermédiaire d'un conduit séparé de commande ou bien de l'intervalle annulaire existant autour de la colonne du puits afin d'ouvrir la soupape d'injection et de permettre l'injection de produits chimiques dans le puits. Une telle application est décrite de façon plus détaillée, et représentée à la page 11, du Catalogue condensé de Camco, 82/83, qui est cité ici à titre de référence. Lorsque des puits sont creusés à de très grandes profondeurs, de fortes pressions (par exemple 700 x 105 Pa) et des températures élevées sont rencontrées et des soupapes classiques actionnées par soufflet ne donnent pas satisfaction. En effet des soupapes d'injection chimiques doivent fréquemment être ouvertes et fermées jusqu'à 200 000 fois en service et un soufflet qui est conçu de manière a comporter des couches de métal ondulé de grande résistance pour absorber les pressions élevées constitue un élément élastique ayant une grande raideur et soumis à une forte contrainte, ce qui se traduit par une fatigue et finalement une rupture. La présente invention a pour but de créer un piston d'actionnement permettant de remplacer le soufflet et qui résiste aux hautes pressions et temperatures rencontrées et en outre, une fois que la pression d'ouver- ture est atteinte, le déplacement du piston dans la soupape peut se poursuivre pour produire une ouverture complète en vue d'obtenir un débit maximal d'injection. La soupape actionnée par piston remplit cette fonction avec une absence d'augmentation de forces comme dans le cas d'un ressort ou d'un soufflet. Le volume de gaz comprimé dans la soupape actionnée par piston est augmenté au maximum afin de réduire au minimum l'augmentation de pression de sollicitation due au déplacement de la tige de soupape. La présente invention concerne une soupape d'injection servant à injecter des produits chimiques dans un puits, cette soupape comportant un corps à l'exté- rieur duquel il est prévu des joints espacés pour établir une étanchéité dans un conduit de puits. Le corps comporte un orifice d'entrée placé entre les joints pour recevoir des produits chimiques et un passage reliant l'orifice d'entrée à un orifice de sortie. Un siège de soupape et un élément obturateur sont disposés dans le passage. Un piston est positionné dans le corps au-dessus de l'orifice d'entrée et il est relié à l'élément obturateur, et le piston comporte un joint en forme de coupelle métallique dirigé vers le haut, un joint en forme de coupelle métal- lique dirigé vers le bas et, de préférence, il peut com- prendre un joint élastique d'étanchéité entre les joints métalliques. Les joints métalliques agissent comme des joints de piston lorsqu'ils sont dilatés vers l'extérieur de façon à entrer en contact étanche avec l'intérieur du corps sous l'effet d'une pression fluidique et ils agissent de manière à protéger le joint élastique contre les conditions régnant dans l'environnement, et le joint élastique établit une étanchéité supplémentaire aux gaz. Une charge de gaz sous pression est placée dans le corps au-dessus du piston et elle agit sur ce dernier dans une direction assurant la fermeture de l'élément obturateur sur le siège de soupape. Selon un autre objet de la présente invention, il est prévu de l'huile dans le corps entre la charge de gaz et le piston, cette huile agissant comme une barrière entre la charge de gaz et le piston et assurant non seulement une lubrification mais opérant comme un agent d'étanchéité du fait que l'huile liquide est plus facile à retenir que le gaz comprimé. Selon encore un autre objet de la présente invention, le gaz sous pression est contenu dans un récipient fermé au-dessus du piston pour permettre un stockage plus facile de la soupape. Le récipient comporte une partie pouvant être rompue et des moyens de perçage sont disposés dans une zone adjacente à la partie pouvant être rompue afin d'ouvrir le récipient en vue de son utilisation. Encore un autre objet de la présente invention consiste à disposer les moyens de perçage entre le réci- pient et le piston. Selon encore un autre objet, un moyen de poussée est disposé entre le récipient et les moyens de perçage pour empêcher initialement le récipient d'être ouvert jusqu'à ce que cela soit souhaité. Selon encore un autre objet de la présente inven- tion, le récipient contient de l'huile et de l'huile est placée dans le corps au-dessus du piston. De préfé- rence le récipient est positionné dans un cylindre placé dans le corps et qui est étanché excepté en ce qui concerne le piston, en réduisant ainsi la possibilité d'une fuite de gaz. Encore un autre objet de la présente invention consiste à utiliser un fluorocarbone pour températures élevées à la place du joint élastique d'étanchéité de façon que la soupape puisse être utilisée dans des environnements à températures extrêmement élevées. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la descrip- tion, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en réfé- rence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation, avec coupe au quart, de la soupape d'injection chimique action- née par piston conforme à la présente invention, la figure 2 est une vue en élévation fragmentaire et en coupe à échelle agrandie d'une partie de la soupape de la figure 1, la figure 3 est une vue en élévation fragmentaire à échelle agrandie et en coupe au quart, dans laquelle la charge de gaz sous pression est initialement maintenue dans un récipient fermé, et la figure 4 est une vue semblable à la figure 3, o le récipient a été ouvert. En référence maintenant aux dessins, et particu- lièrement à la figure 1, la référence numérique 10 désigne dans son ensemble la soupape d'injection chimique de la présente invention, qui comprend un corps 12 comportant un ou plusieurs orifices d'entrée 14, un joint d'étanchéité supérieur 16 placé sur le côté extérieur du corps 12 et un joint d'étanchéité inférieur 18 placé sur le côté extérieur du corps 12, ainsi qu'un ou plusieurs orifices de sortie 20. Un passage de fluide 22 relie les orifices d'entrée 14 aux orifices de sortie 20 et un siège de soupape 24 et un élément obturateur 26 sont placés dans le passage 22 de façon à ouvrir et fermer une communica- tion par l'intermédiaire du passage 22. En conséquence, la soupape 10 peut être placée dans la poche latérale d'un mandrin, o la poche comporte une ouverture destinée à recevoir des fluides chimiques provenant d'une pompe installée à la surface du puits, qui est en communication avec le mandrin et qui introduit un fluide chimique dans l'orifice d'entrée 14 entre les joints 16 et 18. Quand l'élément obturateur 26 s'applique contre le siège 24, le passage 22 est fermé et les fluides chimiques sont empêchés d'être injectés dans la colonne du puits. Cependant, lorsque la pression fluidique appli- quée à l'orifice d'entrée 14 est augmentée, l'élément obturateur 26 est écarté du siège 24 en ouvrant le passage 22 et en permettant l'écoulement de fluides chimiques dans le passage 22 et par les orifices de sortie 20. Généralement, il est prévu une soupape d'arrêt comportant un élément obturateur 28 qui est poussé vers le haut par un ressort 30 de manière à s'appliquer contre un siège 32 pour empêcher du fluide du puits de s'écouler des orifices de sortie 20 vers les orifices d'entrée 14 mais qui permet une injection de fluides chimiques dans la direction opposée. Normalement l'élément obturateur 26 est poussé vers le bas par un soufflet sollicité par une pression de gaz. Cependant, a mesure que les puits deviennent plus profonds et sont soumis à des pressions et tempéra- tures supérieures, les soufflets ne donnent pas satisfac- tion pour ouvrir et fermer une soupape d'injection de produits chimiques qui peut avoir à effectuer 200 000 opé- rations en service. Pour résister aux pressions élevées, par exemple de 700 x 105 Pa, un soufflet flexible néces- siterait des couches de métal ondulé de haute résistance qui engendreraient une grande raideur et qui produiraient une contrainte excessive se traduisant par une fatigue et une rupture éventuelles. En conséquence, la présente invention concerne un mécanisme d'actionnement comprenant un piston à mou- vement alternatif avec étanchéité métal-métal, comportant de préférence un joint élastomère entre les deux joints métalliques qui font en sorte que (1) la charge résultant de la pression du gaz soit efficacement absorbée, (2) une fois que la pression d'ouverture est atteinte, le piston puisse continuer à se déplacer dans la soupape en assurant ainsi une ouverture complète pour un débit maximal d'injection de fluide, (3) il ne se produise pas une augmentation des forces de poussée pour l'ouverture comme dans un ressort ou un soufflet et (4) le volume de gaz comprimé soit augmenté au maximum afin d'empêcher une augmentation de la charge exercée par le gaz sous pression lors du déplacement de la tige de soupape. En référence maintenant aux figures 1 et 2, un piston désigné dans son ensemble par la référence numérique 40 est relié à une tige 43 qui est elle-même reliée à l'élément obturateur 26. Le piston 40 est posi- tionné dans un cylindre 42 du corps 12 et il est soumis à sa partie inférieure à la pression du fluide d'injection introduit par l'orifice 14 tandis qu'il est soumis à sa partie supérieure à la charge 44 exercée par la pression du gaz, généralement de l'azote. Le piston 40 comporte un joint 46 en forme de coupelle métallique dirigé vers le haut et un joint 48 en forme de coupelle métallique dirigé vers le bas, et il est avantageusement prévu entre les joints métalliques 46 et 48 un joint 50 en matière élastomère élastique, comme un joint en T. Les joints en forme de coupelles métalliques 46 et 48 sont semblables aux joints d'étanchéité décrits dans la demande de brevet déposée conjointement aux Etats-Unis sous le numéro de série 538 le 10 septembre 1983 et ils ont pour effet d'être poussés vers l'extérieur contre la paroi du cylindre 42 pour établir un joint étanche, et ils agissent de façon à isoler le joint 50 par rapport à l'environnement et à empêcher des débris d'altérer le joint élastomère 50. Le joint élastomère 50 est particu- lièrement efficace pour maintenir une bonne étanchéité aux gaz. Une quantité prédéterminée de lubrifiant 52, comme de l'huile à engrenages Conoco DN-600, généralement appelé de l'huile, est placé dans le cylindre 42 au-dessus du piston 40 de façon à agir comme une barrière entre la charge de gaz 44 et le piston 40. L'huile 52 lubrifie les parois du cylindre 42 et agit comme un agent d'étan- chéité du fait que l'huile est plus facile à retenir que le gaz 44. Comme l'huile 52 est plus lourde que le gaz 44, elle reste au fond du cylindre 42 et dans une zone adjacente au piston 40. Le joint élastomère 50 est utilisé pour former un joint complémentaire d'étanchéité au gaz, bien que des essais en laboratoire aient montré que les joints en forme de coupelles métalliques 46 et 48 établissent à eux seuls une bonne étanchéité- au gaz. Cependant, dans des applications o la soupape 10 est utilisée dans des environnements soumis à une température supérieure à 205 C, le joint élastomère 50 serait complètement supprimé ou remplacé par un joint en fluorocarbone résis- tant à hautes températures et emprisonné entre les joints métalliques 46 et 48. La précharge du gaz se trouvant dans la chambre 44 est généralement effectuée avant la mise en service à la température régnant en surface, qui est de l'ordre de 16 C, mais la dilatation, la température en fond de trou et la pression a laquelle la soupape 10 doit être utilisée interviennent dans le calcul lors de la précharge de la soupape 10. Cependant, puisqu'il est souhaité que l'huile 52, qui est introduite dans le cylindre 42 dans le processus de chargement, reste en contact avec le piston 40 à tout moment, la soupape 10 doit être maintenue et stockée dans une position généra- lement verticale afin d'empêcher la charge de gaz d'entrer en contact avec le joint d'étanchéité 50. Cependant, le stockage et le transport de la soupape 10 dans une position verticale ne peuvent pas toujours être effectués par le personnel de service. En conséquence, pour empêcher le gaz préchargé 44 d'entrer en contact avec le joint élastomère 50, la charge de gaz comprimé 44, comme le montrent mieux les figures 3 et 4, peut être stockée dans un récipient fermé 60 compor- tant une partie pouvant être- rompue, telle que le disque de rupture 62. En conséquence la charge de gaz peut être introduite dans le récipient 60, le récipient 60 peut être inséré dans le cylindre 42 et la soupape 10 peut être stockée et transportée dans n'importe quelle position sans permettre à la charge de gaz 44 d'atteindre le joint élastique 50. Dans ce cas, un moyen de perçage comme un marteau de perforation 44 est placé dans une position adjacente au disque de rupture 62, et de préfé- rence entre le récipient 60 et le piston 40. Un organe de poussée tel qu'un ressort 66 est disposé entre le marteau 64 et le récipient 60 afin d'empêcher initialement le marteau 64 de perforer le disque 62. Additionnellement de l'huile 68 est ajoutée au récipient 60 lors de l'intro- duction de la charge de gaz 44 et de l'huile 70 est de préférence introduite dans le cylindre 42 au-dessus du piston 40. Comme le montre mieux la figure 4, apres que la soupape 10 a été assemblée et placée dans le puits, la pression appliquée à l'orifice d'entrée 14 est transmise à la base du piston 40, en déplaçant le marteau de perfora- tion 64 vers le haut, en opposition à la force du ressort de poussée 66, ce qui oblige le marteau 64 à rompre le disque 62 en libérant ainsi la charge de gaz 44 pour qu'elle pénètre dans le cylindre 42 au-dessus du piston dans une opération normale. En outre, l'huile 68 contenue dans le récipient 60 est refoulée au travers de l'orifice formé par la perforation et elle agit comme un amortisseur de choc brutal. Bien que le récipient fermé 60 soit représenté dans une condition d'utilisation avec une soupape d'injec- tion de produits chimiques actionnée par piston, ce récipient 60 peut aussi être utilisé avec d'autres types de soupapes d'injection chimique, comme des soupapes actionnées par soufflet. Ainsi, le récipient de gaz comprimé 60 permet d'utiliser une soupape actionnée par soufflet comportant un soufflet plus mince du fait que ce soufflet n'a pas besoin d'être soumis à une légère pression différentielle de la charge de gaz puisque cette charge ne sollicite pas le soufflet tant qu'il n'a pas été placé dans le puits et qu'il n'a pas été soumis à la pression régnant dans ce dernier. Il est à noter, en référence à la figure 1, que la charge de gaz 44 est introduite dans le cylindre 42 par l'intermédiaire d'un orifice 70 qui est fermé au moyen d'un bouchon avec joint d'étanchéité 72 alors que, dans le dispositif de la figure 3, les seules parties exposées au cylindre 42 et par conséquent à la charge de gaz sont les joints d'étanchéité prévus sur le piston 40. En conséquence le récipient 60 représenté sur les figures 3 et 4 nécessite moins de joints d'étanchéité et risque par conséquent moins de fuire. Bien que des modes préférés de réalisation aient été décrits ci-dessus, il va de soi que différentes modifications et variantes peuvent être apportées sans sortir du cadre et de la portée de l'invention qui sont définis dans les revendications ci-jointes. REVENDICATIONS 1. Soupape d'injection pour asurer l'injection de produits chimiques dans un puits, comportant un corps pourvu de joints d'étanchéité espacés sur l'extérieur du corps de manière à établir l'étanchéité dans un conduit du puits, ledit corps comportant un orifice d'entrée placé entre les joints et destiné a recevoir des produits chimiques et un passage reliant l'orifice d'entrée à un orifice de sortie, ainsi qu'un siège de soupape et un élément obturateur qui sont placés dans le passage, carac- térisée en ce qu'elle est pourvue d'un mécanisme d'action- nement comprenant un piston (40) placé dans le corps (12) au-dessus dudit orifice d'entrée (14) relié à l'élément obturateur (26) de la soupape (10) , ledit piston (40) comprenant un joint (46) en forme de coupelle métallique dirigé vers le haut, un joint (48) en forme de coupelle métallique dirigé vers le bas, et en ce qu'il est prévu dans ledit corps (12) au-dessus dudit piston (40) une charge de gaz comprimé (44) agissant sur le piston (40) dans une direction assurant la fermeture dudit élément obturateur (26) sur son siège (24). 2. soupape d'injection selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il est prévu un joint en matière élastique (50) entre les joints métalliques (46, 48). 3. Soupape d'injection selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'il est prévu de l'huile (52) dans le corps (12) entre la charge de gaz (44) et ledit piston (40) pour agir comme une barrière entre la charge de gaz (44) et ledit piston (40). 4. Soupape d'injection selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un récipient de gaz fermé (60) est placé dans le corps (12) au-dessus du piston (40) et contient la charge de gaz sous pression (44), ledit récipient (60) comprenant une partie (62) pouvant être rompue, et en ce qu'il est prévu un moyen de perçage (64) placé dans une position adjacente à ladite partie (62) pouvant être rompue pour ouvrir ledit récipient (60). 5. Soupape d'injection selon la revendication 4, caractérisée en ce que le moyen de perçage (64) est positionné entre le récipient (60) et ledit piston (40). 6. soupape d'injection selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'il est prévu un moyen de poussée (66) entre le récipient (60) et ledit moyen de perçage (64) pour empêcher initialement l'ouverture du récipient (60). 7. Soupape d'injection selon la revendication 4, caractérisée en ce que le récipient (60) contient de l'huile (68). 8. Soupape d'injection selon la revendication 4, caractérisée en ce que de l'huile est placée dans le corps (12) au-dessus du piston (40). 9. Soupape d'injection selon la revendication 4, caractérisée en ce que le récipient (60) est positionné dans un cylindre (42) du corps (12) qui est exempt de joint excepté pour le piston (40). 10. Soupape d'injection pour assurer l'injection de produits chimiques dans un puits, comportant un corps pourvu de joints d'étanchéité espacés sur l'extérieur du corps de manière a établir l'étanchéité dans un conduit du puits, ledit corps comportant un orifice d'entrée placé entre les joints et destiné à recevoir des produits chimiques et un passage reliant l'orifice d'entrée à un orifice de sortie, ainsi qu'un siège de soupape et un élément obturateur qui sont placés dans le passage, caractérisée en ce qu'il est prévu un mécanisme d'action- nement comprenant un piston (40) placé dans le corps (12) au-dessus dudit orifice d'entrée (14) relié à l'élément obturateur (26) de la soupape (10) , ledit piston comportant un joint (46) en forme de coupelle métallique dirigé vers le haut, un joint (48) en forme de coupelle métallique dirigé vers le bas et un joint en- matière élastique (50) placé entre les joints métalliques (46, 48), en ce qu'une charge de gaz sous pression (44) est placée dans le corps (12) au-dessus dudit piston (40) en agissant sur le piston dans une direction assurant la fermeture dudit élément obturateur (26) contre le siège de soupape (24) et en ce qu'il est prévu dans le corps (12) un moyen de lubrification et d'étanchéité (52) entre la charge de gaz (44) et ledit piston (40) pour agir comme une barrière entre la charge de gaz (44) et le piston (40). 11. Soupape d'injection pour assurer l'injection de produits chimiques dans un puits, comportant un corps pourvu de joints d'étanchéité espacés sur l'extérieur du corps de manière à établir l'étanchéité dans un conduit du puits, ledit corps comportant un orifice d'entrée placé entre les joints et destiné à recevoir des produits chimiques et un passage reliant l'orifice d'entrée à un orifice de sortie, ainsi qu'un siège de soupape et un élément obturateur qui sont placés dans le passage, carac- térisée en ce qu'il est prévu un mécanisme d'actionnement comprenant dans le corps (12) un moyen sensible à une pression (40) qui est placé audessus dudit orifice d'entrée (14) relié à l'élément obturateur (26) de la soupape (10) et en ce qu'un récipient de gaz fermé (60) est positionné dans le corps (12) au-dessus du moyen sen- sible à une pression (40), ce récipient contenant la charge de gaz sous pression (44) et comportant une partie (62) pouvant être rompue, et en ce qu'il est prévu un moyen de perçage (64) placé dans une zone adjacente à ladite partie (62) pouvant être rompue pour assurer l'ouverture dudit récipient (60). 12. Soupape d'injection selon la revendication 11, caractérisée en ce que le moyen de perçage (64) est positionné entre le récipient (12) et le moyen sensible à une pression (40).