Brevet FR2564522A1 — publié le 19851122

La présente invention concerne une soupape de sûreté utilisable dans des colonnes de puits d'installations pétrolières. D'une façon générale, il est connu d'utiliser une soupape de sécurité dans un puits pour arrêter un écoulement de fluide dans la colonne du puits, o la soupape de sûreté est actionnée dans une position d'ouverture par un fluide de commande hydrau- lique provenant de la surface, est poussée dans la position de fermeture par une chambre à gaz sous pression qui agit en opposition au fluide de commande hydraulique sur le piston d'actionnement, et on sait utiliser des pistons en forme de petites tiges pour créer un faible écart entre les pressions d'ouverture et de fermeture, comme décrit dans le brevet US 4 252 197. Cependant, si le joint d'étanchéité du piston est endommagé, le gaz peut s'échapper et la force de fer- meture de soupape peut être réduite en provoquant une défaillance de la soupape. En outre dans certaines soupapes, la pression régnant dans la colonne ou bien dans le trou du carter agit en opposition au fluide de commande hydraulique provenant de la surface. Cela nécessite une augmentation de la pression de commande hydraulique agissant en opposition à la pression ré- gnant dans la colonne de carter, ce qui est indésirable, et également variable, dans certaines applications. La présente invention a pour but d'apporter différents perfectionnements à une soupape de sûreté souterraine, actionnée par cylindre et piston avec un faible écart de pression et comportant une chambre pressu- risée qui est agencée de façon à réduire une perte possible de la charge de gaz se trouvant dans la chambre. Une chambre à gaz en forme de U est adjacente à un joint d'étanchéité unique prévu sur le piston, qui est lubrifié des deux côtés par du fluide hydraulique. En outre la soupape est construite de manière que la pression du puits régnant dans la colonne ou le trou de carter n'affecte pas l'ouverture ou la fermeture de la sou- pape de sûreté et qu'on obtienne ainsi ce qu'on appelle une soupape équilibrée, tout au moins en ce qui concerne l'influence de la pression régnant dans la colonne du puits. La présente invention concerne une soupape de sûreté à faible écart de pression utilisable dans un puits pour commander l'écoulement de fluide dans un conduit du puits, et comprenant un carter tubulaire pourvu d'un trou et un élément obturateur se déplaçant entre des positions d'ouverture et de fermeture. Un élément tubulaire longitudinal est déplaçable télescopiquement dans le carter pour comman- der le mouvement de l'élément obturateur de la soupape. Le perfectionnement apporté par la présente invention concerne un moyen pour déplacer l'élément tubulaire dans une première direction afin d'amener l'élément obturateur de la soupape dans la position de fermeture et un moyen pour déplacer l'élément tubulaire dans une seconde direction pour ouvrir l'élément obtura- teur. En conséquence, un ensemble à piston et cylindre entre lesquels est disposé un joint d'étanchéité est positionné dans le carter, un des composants étant relié à l'élément tubulaire. Un côté de l'ensemble est en communication avec un passage hydraulique adapté pour s'étendre jusqu'en surface du puits afin d'actionner l'élément tubulaire dans une seconde direction au moyen de fluide de commande hydraulique pour ouvrir l'élément obturateur de la soupape. Une chambre à gaz pressurisé en forme de U est positionnée dans le carter en commu- nication avec le second côté de l'ensemble. La chambre contient un gaz pressurisé agissant de façon à déplacer l'élément tubulaire dans la première direction pour ouvrir la soupape. En addition au gaz pressurisé, la chambre contient un fluide hydraulique placé entre le gaz et le joint d'étanchéité de l'ensemble à piston et cylindre, en empêchant ainsi du gaz de toucher et de s'échapper au travers du joint par lubrification des deux côtés du joint d'étanchéité avec du fluide hydraulique. Selon un autre objet de la présente invention, au moins une tige d'actionnement est placée entre et accouplée avec l'ensemble et l'élément tubulaire, la tige comprenant un premier et un second joint d'étanchéité espacés l'un de l'autre. La pression régnant dans le trou du carter est transmise à la tige entre les premier et second joints espacés, en équilibrant ainsi la pression régnant dans le trou du carter ou bien la pression de colonne agissant sur la tige d'actionnement. En outre, les seconds côtés des premier et second joints espacés sont en communica- tion avec le fluide de commande hydraulique provenant de la surface du puits, en équilibrant ainsi la pres- sion de commande hydraulique s'exerçant sur la tige d'ac- tionnement. Selon encore un autre objet de la présente invention, l'ensemble à piston et cylindre n'est pas en communication avec la pression régnant dans le trou, en créant ainsi une soupape équilibrée tout au moins en ce qui concerne l'effet de la pression régnant dans la colonne de puits. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - les figures 1A, lB, 1C et 1D, sont des vues en élévation et en coupe verticale, se suivant mutuelle- ment, de la soupape de sécurité pour puits de la présente invention, représentée dans la position d'ouverture, - la figure 2 est une vue en coupe faite selon la ligne 2-2 de la figure lC, - la figure 3 est une vue en coupe faite selon la ligne 3-3 de la figure 1C, - la figure 4 est une vue en coupe faite selon la ligne 4-4 de la figure lB, - la figure 5 est une vue en coupe faite selon la ligne 5-5 de la figure lB, - la figure 6 est une vue en coupe faite selon la ligne 6-6 de la figure lB, - la figure 7 est une vue en coupe faite selon la ligne 7-7 de la figure lB, - la figure 8A est une vue en coupe fragmen- taire faite selon les lignes 8A-8A des figures 5, 6 et 7, les composants de la soupape se trouvant dans la position de fermeture de soupape, - la figure 8B est une vue en élévation et en coupe fragmentaire de l'extrémité inférieure de la soupape de sûreté représentée dans la position de fer- meture, et - la figure 9 est une vue en coupe faite selon la ligne 9-9 de la figure 2. Bien que les perfectionnements apportés à une soupape de sûreté souterraine soient représentés, seulement à titre d'illustration,,comme étant incorporés à une soupape de sûreté du type clapet pouvant être sortie d'un puits, il va de soi que la présente invention peut être utilisée avec d'autres types de soupapes de sûreté ainsi qu'avec des soupapes de sûreté comportant diffé- rents types d'éléments obturateurs. En se référant maintenant aux dessins, et plus particulièrement aux figures 1A, lB, 1C et lD, on voit que celles-ci représentent une soupape de sûreté souterraine de type récupérable, utilisant la présente invention et désignée dans son ensemble par la référence numérique 10. La soupape de sûreté 10 comprend d'une façon générale un corps 12 adapté nour être positionné dans un conduit de puits 13, tel qu'une colonne de puits de pétrole et/ou de gaz, afin de permettre son exploitation dans des conditions normales de fonctionnement, la soupape 10 pouvant être fermée en réponse à des conditions anormales telles que celles pouvant se produire lorsque le puits entre en surpro- duction, lors d'une éruption non contrôlée ou bien en cas de panne d'un équipement du puits. Comme le montre mieux la figure 1D, le corps 12 comprend d'une façon générale un siège annulaire de soupape 14 et un élément obturateur tel qu'un clapet 16 relié au corps 12 par un pivot 18. En conséquence lorsque le clapet 16 se trouve dans la position supérieure d'application contre le siège 10 (figure 8B), la soupape de sûreté 10 est fermée en arrêtant un écoulement vers le haut. Un élément tubulaire ou tube coulissant 20 est déplaçable télescopiquement dans le corps 12 et au travers du siège de soupape 14. Comme le montre mieux la figure 1D, lorsque le tube coulissant 20 est déplacé dans une position basse, le tube 20 exerce une poussée contre le clapet 16 et l'écarte du siège 14. En conséquence la soupape 10 est maintenue dans la position d'ouverture tant que le tube coulissant 20 se trouve dans la position basse. Lorsque le tube coulissant 20 est déplacé vers le haut, le clapet 16 est autorisé à se déplacer vers le haut en fermant la soupape sous l'action d'un ressort 22 et également sous l'action de l'écoulement de fluide progressant vers le haut au travers du trou 11 du corps 12. Selon une caractéristique de la présente invention, la soupape de sûreté pour puits comporte une chambre à gaz sous pression qui agit de façon à pousser la soupape 10 vers une position de fermeture tandis qu'une pression de commande hydraulique provenant de la surface du puits agit de façon à déplacer la soupape vers une position d'ouverture. En référence maintenant aux figures lB et 5, un ensemble à cylindres et pistons, désigné d'une façon générale par la référence numérique 32, comprend un ou plusieurs pistons 34, à savoir dans l'exemple représenté trois pistons, qui se déplacent dans des cylindres 36, ledit ensemble.étant relié à l'élément tubulaire 20, comme cela sera décrit de façon plus détaillée dans la suite. L'ensemble à cylindres et pistons 34 comporte un joint d'étanchéité 38 entre chaque piston 34 et chaque cylindre 36. Un côté de l'ensemble 32 est en communication avec du fluide de commande hydraulique arrivant de la surface du puits pour l'actionnement du piston 34 dans une direction d'ouverture du clapet 16 de la soupape. En conséquence le carter de soupape comprend un premier joint d'étanchéité 24 (figure 1C) s'appuyant contre la paroi intérieure du conduit 13 du puits et il est pourvu d'un dispositif de blocage 26 (figure 1A) qui assure le blocage et le support de la soupape de sûreté 10 dans le conduit de puits 13 et qui comprend un joint d'étanchéité (non représenté) destiné à s'appliquer de façon étanche contre le conduit 13 du puits. Le dispositif de blocage peut être constitué par tout dispositif de blocage approprié, comme le dispositif de blocage Camco Type M. En conséquence, le joint d'étanchéité prévu dans le dispositif de blocage 26 et le joint d'étanchéité 24 forment une chambre hydrau- lique annulaire 28 entre l'intérieur du conduit de puits 13 et l'extérieur du corps 12 de la soupape de sûreté 10. Il est prévu dans le conduit 13 du puits un orifice 29 qui peut être mis en communication avec la partie annulaire du puits ou avec un tuyau de commande 30 s'étendant jusqu'en surface du puits pour commander le fonctionnement de la soupape de sûreté 10. Des lumières 31 sont ménagées dans le corps 12 pour recevoir le fluide de commande hydraulique qui pénètre dans un passage hydraulique 33 pour agir sur l'extrémité supérieure des pistons hydrauliques 34. En référence maintenant aux figures 1A, lB, 4, 5, 6, 7 et 8A, il est prévu une chambre en forme de U fermée,Ue préférence par soudure 40, qui comporte un orifice 42 servant au remplissage de la chambre. La chambre 40 comporte un passage tubulaire 44 s'étendant vers le bas (figures 5, 6, 7 et 8A) et elle est pourvue d'un passage annulaire 46 qui est relié aux cylindres 36 en dessous des pistons 34 et des joints d'étanchéité 38. En conséquence, du gaz sous pression se trouvant dans la chambre 40 agit sur l'ensemble à cylindres et pistons 32 pour pousser la soupape 10 dans la position de fermeture mais il n'est pas en contact avec d'autres joints d'étanchéité qui pourraient fuir en causant une baisse de la pression de fermeture. Bien que la chambre pressurisée en forme de U 40 (qui comporte les cylindres 36) contienne du gaz sous pression pour pousser élastiquement les pistons 34 dans la position haute, cette chambre contient également un fluide hydraulique situé entre le gaz et les joints d'étanchéité 38. Ainsi une quantité suffisante de fluide hydraulique est placée dans la chambre 40 de manière à s'écouler par gravité vers le fond de la chambre 40 pour parvenir par l'intermédiaire du passage tubulaire 44 et du passage annulaire 46 dans les cylindres 36 afin d'empêcher le gaz se trouvant dans la chambre 40 d'entrer en contact avec les joints d'étanchéité 38. Cela procure par rapport à l'art anté- rieur l'avantage important que le gaz sous pression se trouvant dans la chambre 40 est maintenu hors de contact avec les joints d'étanchéité 38. L'avantage de cette structure consiste en ce que les joints d'étanchéité 38 sont lubrifiés des deux côtés par du fluide hydraulique et qu'ainsi ils risquent moins de fuir. Il est à noter que les pistons 34 de petite section droite n'influencent pas sensiblement la pression régnant dans la chambre à gaz 40 du fait que ces pistons 34 se déplacent de la position de fermeture jusque dans la position d'ouverture en rédui- sant ainsi au minimum l'écart ou la différence entre les pressions d'ouverture et de fermeture et en permettant ainsi d'utiliser la soupape à de plus grandes profondeurs dans le puits. Une autre caractéristique de la présente invention consiste en ce que la soupape de sûreté n'est pas affectée par la pression régnant dans la colonne de puits et dans le trou 11. En effet, dans de nombreuses soupapes de sûreté actionnées hydrauli- quement, la pression de puits régnant dans le trou 11 agit sur la soupape dans une direction la faisant travailler en opposition à la pression du fluide commande hydraulique, ce qui peut être indésirable dans certaines applications. Dans la présente invention, l'ensemble hydraulique à cylindres et pistons 32 n'est pas en communication avec la pression régnant dans le trou 11 et par conséquent il n'est pas affecté par la pression régnant dans la colonne du puits. Cependant cela empêche l'ensemble à cylindres et pistons 32 d'actionner directement l'élément tubulaire 20 qui assure l'ouver- ture et la fermeture du clapet 16. En référence maintenant aux figures lB, 1C, 4 et 5, les pistons 32 sont reliés à un anneau 50 qui est à son tour relié à une ou plusieurs tiges d'actionnement 52, représentées ici au nombre de deux, ces tiges comportant un élément d'accouplement 54 qui est à son tour relié à l'élément tubulaire 20. Bien que le brevet US N 4 373 587 décrive des tiges d'actionnement, les soupapes sont différentes du point de vue de la structure et du fonctionnement. Les tiges d'actionnement 52 comprennent un premier 56 et un second 58 joint d'étanchéité qui sont espacés l'un de l'autre. Un côté du premier joint 56 est exposé à la pression hydraulique régnant dans le passage 33 et un côté du second joint 58 est en liaison avec un orifice de décharge 60 qui est en communication avec le fluide de commande hydraulique se trouvant dans l'intervalle annulaire 28 existant au-dessus du joint d'étanchéité 24. En conséquence les tiges d'actionnement 52, qui ont la même section droite, sont équilibrées et ne sont affectées par le fluide de commande hydraulique provenant de la surface du puits. L'élément tubulaire 20, qui est déplaçable télescopiquement dans le carter 12, n'est pas isolé de façon étanche par rapport à l'intérieur du carter 12. En conséquence, la pression régnant dans la colonne de puits ou bien la pression régnant dans le trou 11 pénètre dans l'espace 62 et agit sur les seconds côtés du premier joint 56 et du second joint 58 de manière à équilibrer l'effet exercé par la pression de colonne de puits sur les tiges d'actionnement 52. En conséquence, la soupape de sûreté 10 constitue ce qu'on appelle une soupape à compensation de pression de colonne. En référence maintenant aux figures 1C, 1D, 2, 3 et 9, la partie de liaison 54 entre les tiges d'actionnement 52 et l'élément tubulaire 20 peut être désaccouplée. Ainsi il est souhaitable que la soupape 10 puisse encore se fermer dans certaines conditions, par exemple dans le cas o la pression de commande hydraulique devient supérieure à un maximum prédéter- miné, par exemple dans le cas o on utilise une partie annulaire du tubage pour le fluide de commande et o la pression régnant dans la colonne fuit dans l'intervalle annulaire 28 en ayant tendance à ouvrir la soupape. En conséquence, lorsque la pression dans l'intervalle annulaire 28 augmente au-dessus d'un maximum prédéterminé, la partie de liaison 54 s'applique contre un épaulement 70 du carter 12 (figures 1C et 9). Comme le montrent mieux les figures 2 et 9, la partie de liaison 54 comporte plusieurs cliquets 72 s'engageant dans une rainure 74 ménagée dans la périphérie exté- rieure de l'élément tubulaire 20. Une broche 76 est déplaçable longitudinalement dans l'élément 54 et elle est poussée vers le bas par un ressort 78 de façon que la broche soit placée en arrière des cliquets 72 en les bloquant dans la rainure 74. La broche 76 comporte une partie évidée 80. En conséquence, lorsque la soupape 10 est soumise à une surpression, l'élément de liaison 54 se déplace vers le bas et la partie inférieure 82 de la broche 76 entre en contact avec l'épaulement 70 en déplaçant la partie évidée en arrière des cliquets 72. Lorsque les cliquets sont rétractés, un ressort 84 (figures 1C et 1D) qui est poussé entre un épaulement 86 du carter 12 et un épaulement 88 du tube d'écoulement 20 déplace vers le haut le tube d'écoulement 20, qui est maintenant libéré, en permettant la fermeture du clapet 16. En service, la soupape 10 est installée dans un conduit de puits, commeune colonne de production 13, et elle est bloquée dans celle-ci de manière que les joints d'étanchéité supérieur et inférieur existant entre le corps 12 et la surface intérieure de la colonne de production 13 soient placés de part et d'autre de l'orifice 29. Normalement l'élément tubulaire 20 est 2564522- poussé vers le haut sous l'action du gaz pressurisé se trouvant dans la chambre 40 et qui agit sur le côté inférieur des pistons 30 qui poussent à leur tour l'anneau 50 vers le haut en entraînant les tiges d'actionnement 52 et l'élément tubulaire 20 vers le haut afin de permettre la fermeture du clapet 16 de la soupape. La soupape de sQreté 10 est commandée à partir de la surface du puits par transmission de la baisse de pression par l'intermédiaire de l'orifice 29 afin d'agir, par l'intermédiaire d'un tuyau de commande ou d'un intervalle annulaire du tubage, sur la partie supérieure des joints d'étanchéité 38 des pistons 34 et de vaincre la pression du gaz se trouvant dans la chambre 40. Si la pression appliquée a une grandeur suffisante, les pistons 34 se déplacent vers le bas en entraînant l'anneau 50 vers le bas, ce qui provoque un mouvement de descente des tiges d'action- nement 52 et un déplacement de l'élément tubulaire vers le bas avec ouverture du clapet 16. Si la pression de commande hydraulique transmise par l'in- termédiaire de l'orifice 29 est réduite suffisamment, la charge de gaz pressurisé se trouvant dans la chambre déplace à nouveau les pistons 34 vers le haut et permet la fermeture de la soupape 10. Dans le cas o la pression régnant dans la chambre hydraulique 34 devient supérieure à un maximum prédéterminé, l'élément d'accouplement 54 prévu entre les tiges d'actionnement 52 et l'élément tubulaire 24 se déplace vers le bas, entre en contact avec l'épaulement 70 et libère l'élé- ment tubulaire 20 qui est alors entraîné vers le haut par le ressort 84, en permettant la fermeture de la soupape. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et repré- sentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1.- Soupape de sûreté pour puits servant à com- mander un écoulement fluidique dans un conduit du puitset comprenant un carter tubulaire pourvu d'un trou et un élé- ment obturateur dépla able entre des positions d'ouverture et de fermeture, un élément tubulaire longitudinal dépla- çable télescopiquement dans le carter pour commander le mou- vement de l'élément obturateur de la soupape, caractérisée en ce qu'il est prévu des moyens pour déplacer l'élément tubulaire (20) dans une première direction pour amener l'élément obturateur (16) de la soupape (10) dans la posi- tion de fermeture et des moyens pour déplacer l'élémenttu- bulaire (20) dans une seconde direction pour ouvrir l'élé- ment obturateur (16) de la soupape (10), lesdits moyens comprenant un ensemble à piston et cylindre (32, 34, 36) avec joint d'étanchéité intercalaire (38), positionné dans le carter et dont un des composants est relié à l'élément tubulaire (20), un côté dudit ensemble (32, 34, 36) étant en communication avec un passage hydraulique (33) adapté pour s'étendre jusqu'en surface du puits pour l'actionne- ment de l'élément tubulaire (20) dans la seconde direction afin d'ouvrir ledit élément obturateur (16) de la soupape, une chambre pressurisée en forme de U (40) située dans le carter (12), en communication avec le second côté dudit ensemble (32, 34, 36) et agissant de façon à déplacer l'é- lément tubulaire (20) dans la première direction, ladite chambre (40) contenant un gaz sous pression ainsi qu'un fluide hydraulique placé entre le gaz et le joint d'étan- chéité (38), en assurant ainsi une lubrification du joint d'étanchéité (38) et en empêchant le gaz d'entrer en con- tact avec ce joint (38). 2.- Soupape de sûreté pour puits selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une tige d'actionnement (52) accouplée entre l'ensemble (32, 34, 36) et l'élément tubulaire (20), ladite tige comprenant un premier (56) et un second (58) joint d'étanchéité qui sont espacésl'unde l'autre la pression régnant dans le trou de carter (11) étant transmise à la tige (52) entre les premier et second joints espacés (56, 58) en équilibrant ainsi la pres- sion de carter (12) s'exerçant sur la tige d'actionne- ment (52), les seconds côtés desdits premieret second joints espacés (56, 58) étant en communication avec le passage hydraulique (33) en équilibrant ainsi la pres- sion de commande hydraulique s'exerçant sur la tige d'actionnement (52). 3.- Soupape de sûreté pour puits selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'ensemble à cylindre et piston (32, 34, 36) n'est pas sollicité par la pression régnant dans le trou (11) du carter. 4.- Soupape de sûreté pour puits servant à commander un écoulement fluidique dans un conduit du puits et comprenant un carter tubulaire pourvu d'un trou et un élément obturateur déplaçable entre des positions d'ouverture et de fermeture, un élément tu- bulaire longitudinal déplaçable télescopiquement dans le carter pour commander le mouvement de l'élément ob- turateur de la soupape, caractérisée en ce qu'il est prévu des moyens pour déplacer l'élément tubulaire(20) dans une première direction pour amener l'élément ob- turateur (16) de la soupape (10) dans la position de fermeture et des moyens pour déplacer l'élément tubu- laire (20) dans une seconde direction pour ouvrir l'é- lément obturateur (16) de la soupape (10), lesdits moyens comprenant un ensemble à cylindre et piston (32, 34, 36) avec joint d'étanchéité intercalaire, ledit en- semble étant positionné dans le carter (12), un côté dudit ensemble étant en communication avec un passage hydraulique (33) adapté pour s'étendre jusqu'en sur- face du puits pour l'actionnement de l'élément tubu- laire (20) dans la seconde direction afin d'ouvrir ledit élément obturateur (16) de la soupape (10), une chambre à gaz sous pression (40) placée dans le carter (12) en communication avec le second côté dudit ensem- ble (32, 34, 36) et agissant pour déplacer l'élément tubulaire (20) dans la première direction, au moins une tige d'actionnement (52) accouplée entre l'ensem- ble (32, 34, 36) et l'élément tubulaire (20), ladite tige comprenant un premier et un second joint d'étan- chéité (56, 58) espacés l'un de l'autre, la pression régnant dans le'trou (11) étant transmise à la tige- (52) entre les premier et second joints d'étanchéité (56, 58) en équilibrant ainsi la pression de carter (12) s'exerçant sur la tige d'actionnement (52), les seconds côtés des premier et second joints d'étanchéi- té (56, 58) étant en communication avec le passage hy- draulique (33) en équilibrant ainsi la pression de com- mande hydraulique s'exerçant sur la tige d'actionne- ment (52), et ledit ensemble à cylindre et piston (32, 34, 36) n'étant pas sollicité par la pression régnant dans le trou (11).