Brevet FR2578944A1 — publié le 19860919

Il est connu d'utiliser un piston allongé dans une vanne de sécurité pour puits comme décrit dans le brevet US n 4 161 219, de manière à réduire la pression hydrostatique du puits agissant sur la vanne de sécurité et à permettre ainsi l'utilisation de la vanne à de grandes profondeurs. I1 est également connu, comme décrit dans la demande de brevet déposée aux Etats Unis d'Amérique sous le n 538 000 et sous le titre anglais "Hydraulic Actuating Means for Subsurface Well Safety Valves" (Dispositif d'actionnement hydraulique de vannes de sécurité pour puits), d'utiliser un siège et un piston métalliques pour assurer une étanchéité efficace dans des environnements soumis à des températures élevées et/ou à des conditions corrosives. Cependant, il est également important qu'une vanne de sécurité ait un diamètre extérieur permettant sa mise en place dans une colonne, tout en ayant simultanément une épaisseur et une résistance propre lui permettant de résister aux pressions rencontrées, en particulier à la pression interne ou régnant dans la colonne de production. La présente invention concerne une vanne de sécurité pour puits perfectionnée, comportant un piston de petite section droite pour réduire la pression hydro- statique, en vue de permettre la mise en place de la vanne à de plus grandes profondeurs, cette vanne compor- tant également des moyens d'étanchéité qui résistent à un environnement hostile et qui établissent une étan- chéité efficace, la vanne ayant un diamètre extérieur minimal tout en conservant un dimensionnement propre approprié pour résister à une pression élevée dans la colonne de production. La présente invention concerne plus particu- lièrement une vanne de sécurité pour puits pour commander l'écoulement d'un fluide dans un conduit de puits, -2- cette vanne comportant un carter pourvu d'un passage central dans lequel un élément obturateur de la vanne peut se déplacer entre des positions d'ouverture et de fermeture. Un tube d'écoulement est mobile télescopi- quement dans le carter pour commander le mouvement de l'élément obturateur de la vanne. Des moyens de poussée sont prévus pour agir sur le tube d'écoulement dans une direction permettant à l'élément obturateur de la vanne de se déplacer jusque dans la position de fermeture. Un ensemble d'actionnement hydraulique perfectionné à cylindre et piston est prévu pour déplacer le tube d'écoulement dans une direction correspondant à l'ou- verture de l'élément obturateur de la vanne. Le carter comporte un cylindre pourvu d'une partie non rectiligne, ainsi qu'un orifice communiquant avec le cylindre. L'orifice est adapté pour recevoir du fluide hydraulique provenant de la surface du puits. Un piston est dépla- çable dans le cylindre, et entre en contact avec le tube d'écoulement. Un côté du piston est en communica- tion avec l'orifice de façon à être sollicité par le - fluide hydraulique pour déplacer le tube d'écoulement dans une direction correspondant à l'ouverture de l'élé- ment obturateur de la vanne. Le piston comporte une partie flexible reliée au côté précité du piston, de façon à se déplacer dans la partie non rectiligne du cylindre. Une soupape et un siège de soupape associé sont prévus dans le cylindre entre l'orifice et le côté précité du piston, afin de maintenir ce dernier dans la position d'ouverture. Selon un autre particularité de la présente invention, la partie non rectiligne du cylindre comporte une partie incurvée. Selon encore une autre particularité de l'in- vention, il est prévu une seconde soupape en-dessous -3- du piston, pour supprimer dans le passage la pression provenant du cylindre lorsque l'élément obturateur de la vanne est fermé et lorsqu'une partie du cylindre est placée à l'extérieur du carter et n'est pas soumise à la pression régnant dans le passage. Selon encore une autre particularité de l'in- vention, l'élément de soupape est séparé de la partie flexible du piston, et il est de préférence constitué par une bille. Selon encore une autre particularité de la présente invention, l'élément de soupape a une dimension extérieure supérieure à la dimension extérieure de la partie flexible du piston. Selon encore une autre particularité de la présente invention, le piston comporte un joint métal- lique d'étanchéité. Selon encore une autre particularité de la présente invention, le carter comporte un cylindre pourvu d'une partie rectiligne et d'une partie incurvée, ainsi qu'un orifice adapté pour recevoir du fluide hy- draulique provenant de la surface du puits. Un piston est mobile dans le cylindre pour déplacer le tube d'écoulement et comporte un joint métallique d'étanchéité mobile dans la partie rectiligne du cylindre, et il est pourvu d'une partie flexible adaptée pour se déplacer dans la partie rectiligne et au travers de la partie incurvée du cylindre. Une soupape et un siège de soupape associé sont prévus dans le cylindre audessus du joint métallique d'étanchéité du piston, afin d'arrêter tout fluide hydraulique provenant de la surface du puits quand la vanne est ouverte, et pour solliciter la partie flexible et maintenir le piston dans la position d'ou- verture. Un second élément de soupape et un second siège associé sont positionnés en-dessous du piston -4- pour assurer la fermeture étanche du cylindre quand l'élément obturateur de la vanne est fermé. 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 et 1C sont des prolonge- ments l'une de l'autre et sont des vues en élévation, en partie en coupe, d'un type de vanne de sécurité conforme à la présente invention, ladite vanne étant représentée dans la position ouverte, - la figure 2 est une vue en coupe faite selon la ligne 2-2 de la figure 1A, - la figure 3 est une vue en coupe faite selon la ligne 3-3 de la figure lB, et - la figure 4 est une vue en coupe faite selon la ligne 4-4 de la figure lB. Bien que la présente invention soit décrite en relation avec une vanne de sécurité pouvant être extraite d'une colonne de production et comportant un élément obturateur du type clapet, il s'agit d'un exemple et il va de soi que la présente invention peut être appliquée à d'autres types de vannes de sécurité, et également à des vannes comportant d'autres types d'éléments obturateurs. En référence maintenant aux dessins, la réfé- rence numérique 10 désigne dans son ensemble une vanne de sécurité pour colonne de production conforme à la présente invention, qui comprend un carter 12 adapté pour être monté dans une colonne de production 14 d'un puits, au moyen de filetages 16 et 18 prévus en haut et en bas du carter 12, afin de permettre la production du puits dans des conditions normales de fonctionnement cependant, la vanne de sécurité 10 peut se fermer ou être fermée lorsque cela est souhaité. -5- La vanne 10 comporte un passage central 20 la traversant, un siège annulaire 22 (figure lC), et un élément obturateur tel qu'un clapet 24 relié au corps 12 par un pivot 26. En conséquence, lorsque le clapet 24 se trouve dans la position dirigée vers le haut et s'appuie contre le siège 22, la vanne de sécurité 10 est fermée, et arrête tout écoulement dirigé vers le haut au travers du passage 20 et de la colonne de pro- duction 14 du puits. Un tube d'écoulement 28 est mobile télescopi- quement dans le corps 12 et au travers du siège de vanne 22. Comme le montre mieux la figure 1C, quand le tube d'écoulement 28 est déplacé jusque dans une posi- tion basse, le tube 28 pousse le clapet 24 pour l'écarter du siège 22. En conséquence, la vanne 10 est maintenue dans la position d'ouverture tant que le tube d'écoule- ment 28 se trouve dans la position basse. Lorsque le tube d'écoulement 28 est déplacé vers le haut, le clapet 24 peut se déplacer vers le haut jusque sur le siège 22 sous l'action d'un ressort 30 et également sous l'action du fluide s'écoulant vers le haut dans le passage 20. Le tube d'écoulement 28 est poussé vers le haut par un moyen approprié, qui peut comprendre un ressort 32 agissant entre un épaulement 34 du carter 12 et un épaulement 36 du tube d'écoulement 28. Le ressort 32 pousse élastiquement le tube d'écoulement 28 vers le haut de façon à libérer l'élément obturateur 24 pour la fermeture de la vanne 10. La vanne de sécurité 10 est commandée par application ou évacuation d'un fluide sous pression, comme un fluide hydraulique, par l'inter- médiaire d'une voie ou conduit associé, tel qu'un conduit de commande 38 (voir figure 1A) s'étendant jusqu'à la surface du puits ou dans l'espace annulaire de la colonne. -6- La présente invention concerne un dispositif d'actionnement hydraulique perfectionné pour commander le mouvement du tube d'écoulement 28 tout en formant (1) une structure pour réduire la pression hydrostatique agissant sur la vanne de sécurité 10 afin de permettre l'utilisation de cette vanne de sécurité à de plus grandes profondeurs, (2) une structure qui utilise des joints métalliques à la place de joints élastomères afin de permettre l'utilisation de la vanne de sécurité 10 dans des environnements corrosifs et à températures élevées, tout en faisant en sorte que (3) la vanne de sécurité 10 ait un diamètre extérieur permettant son montage dans des conduits de puits de petites dimensions tels que des tubages, tout en possédant une résistance et une épaisseur de paroi suffisantes pour résister à- des pressions élevées comme les pressions régnant dans les tubages, (4) en faisant en sorte que le dispositif d'actionnement hydraulique ne soit pas soumis à l'écra- sement par la pression régnant dans le puits et puisse par conséquent être placé sur le côté extérieur du carter, et (5) puisse être réalisé plus petit et moins coûteux. En référence maintenant aux figures lA et lB, le carter 12 comprend un cylindre comportant une partie rectiligne 40 et une partie non rectiligne, telle que la partie incurvée 42. Cette nouvelle disposition permet de réaliser la partie de paroi 44 du carter 12 suffi- samment épaisse pour résister aux pressions élevées régnant dans des tubages, et il est encore possible de choisir un diamètre extérieur de carter 12 suffisamment petit pour permettre son montage dans des conduits de puits de petites dimensions, tels que les types exis- tants de tubages de puits. Il est à noter également que la partie incurvée 42 du cylindre est placée sur -7- le côté extérieur du carter 12, et n'a pas besoin d'avoir une paroi épaisse du fait qu'elle n'est pas soumise à la pression de puits régnant dans le passage , comme cela sera précisé en détail dans la suite. Cela permet également de réaliser une vanne 10 plus courte et moins coûteuse. Le carter comporte un conduit 48 communiquant avec les parties 40, 42 du cylindre, et avec le conduit de commande 38 pour recevoir du fluide hydraulique provenant de la surface du puits. Un piston 50, de préférence métallique, com- portant des joints métalliques en cloche 52 et 54, peut être utilisé ici, ledit piston étant déplaçable dans la partie associée du cylindre 40. Le piston 50 est en contact et est de préférence relié avec le tube d'écou- lement 28 par l'intermédiaire d'un poussoir 53, 52 et d'une liaison par languette 55 et rainure 57. Le côté supérieur du piston 50 est en communication avec le conduit 48, et est par conséquent exposé au fluide hydraulique se trouvant dans le conduit de commande 38, afin de déplacer le tube d'écoulement 28 vers le bas pour ouvrir l'élément obturateur 24 de la vanne. Bien que le piston métallique 50 soit capable de supporter des environnements corrosifs et/ou des hautes tempéra- tures, il est difficile de fabriquer des joints métal- liques qui assurent une étanchéité dans toutes les conditions de pressions, et qui soient étanches aux gaz. En conséquence, il est prévu une soupape métallique qui va être décrite de façon plus détaillée dans la suite. Le piston comporte une partie flexible 56, réalisée ici sous la forme d'une pluralité de billes en acier inoxydable qui sont reliées ensemble par un câble flexible 58 fixé au piston métallique 50. Bien que le piston métallique 50 soit positionné de façon à pouvoir se déplacer seulement dans la partie recti- ligne 40 du cylindre, la partie flexible 56 peut se -8- déplacer à la fois dans la partie rectiligne 40 et dans la partie incurvée 42 du cylindre. La partie flexible 56 du piston n'a pas à remplir une fonction d'étanchéité dans le cylindre mais doit simplement permettre d'exer- cer une force longitudinale pour maintenir la vanne dans la position ouverte. En fait, la partie 50 du pis- ton métallique n'a également pas besoin d'établir une étanchéité aux fluides, mais de créer seulement une obstruction à l'écoulement suffisante pour l'actionnement du tube d'écoulement 28. Bien que la partie flexible 56 du piston ait été représentée sous la forme d'une pluralité de billes reliées entre elles, les billes n'ont pas besoin d'être reliées, et la partie flexible 56 peut être constituée par tout élément de type flexible approprié, comme une tige flexible, ou bien tout autre - type de section divisée en segments articulés entre eux. En référence maintenant à la figure 1A, un élément de soupape 60 et un siège de soupape associé 62 sont prévus dans le cylindre, au-dessus du piston métallique 50. Lorsque du fluide hydraulique est intro- duit dans le conduit 38 et le cylindre, le piston 50 et le tube d'écoulement 28 sont déplacés vers le bas pour ouvrir la vanne. Lorsque la vanne atteint la posi- tion d'ouverture, l'élément de soupape 60, de préférence une bille, s'appuie contre le siège associé 62 et arrête efficacement tout autre écoulement de fluide hydraulique au travers du cylindre, en retenant ainsi le fluide hydraulique qui pourrait autrement fuir au-delà du joint métallique 50 et être perdu. Lorsque l'élément de soupape 60 est appliqué contre le siège associé 62, la partie flexible 56 du piston est maintenue en posi- tion basse par l'élément de soupape 60, de sorte que le piston 50 est maintenu vers le bas, et que le tube d'écoulement 28 est maintenu dans la position ouverte. -9- I1 est à noter que le diamètre extérieur de l'élément de soupape 60 en forme de bille est plus grand que le diamètre extérieur de la partie flexible 56 du piston afin d'obtenir une application efficace quant à l'étan- chéité. De préférence, l'élément de soupape 60 en forme de bille est séparé de la partie flexible 56 du piston. Une autre soupape efficace est prévue en des- sous du piston 50. Ainsi, un second élément de soupape et un siège associé 72 (figure lB) sont disposés de façon que le siège 72 soit placé à la base du cylindre, et que l'élément de soupape 70 soit relié au piston 50. Quand la vanne 10 se déplace jusque dans la position de fermeture, l'élément 70 s'applique contre le siège de soupape associé 72. En conséquence, l'élément de soupape 70, quand il est appliqué contre son siège, isole le cylindre des pressions élevées du puits régnant dans le passage 20 et, par conséquent, la présente invention permet de se passer d'un élément à étranglement pour le dispositif d'actionnement hydraulique. Bien que le mécanisme à cylindre et piston de la vanne de sécurité 10 conforme à l'invention puisse comporter plusieurs cylindres et pistons, il est avan- tageux d'utiliser un mécanisme à un seul cylindre et un seul piston, ce qui évite le problème des tolérances rencontrées dans des vannes de sécurité à pistons mul- tiples utilisant des joints d'étanchéité métalliques; de plus, cela diminue le coût de fabrication et réduit la grandeur de la force hydrostatique engendrée par le fluide de commande hydraulique agissant sur le piston, ce qui permet d'utiliser la vanne 10 à de plus grandes profondeurs et avec des ressorts de poussée 32 de di- mensions plus petites. I1 est également possible de réaliser la vanne de sécurité 10 plus courte qu'aupa- ravant et, par conséquent, moins coûteuse. -10- En fonctionnement, quand la vanne de sécurité se trouve dans la position fermée, le tube d'écoule- ment 28 est placé dans la position haute, et les parties de piston 50 et 56 sont placées dans une position haute o la partie flexible 56 du piston s'étend au travers de la partie incurvée 42, tandis que l'élément de soupape en forme de bille est placé au-dessus et écarté du siège de soupape associé 62, alors que l'élément de soupape 70 est appliqué contre son siège 72. En consé- quence, lorsqu'il est souhaité d'ouvrir la vanne, du fluide hydraulique est envoyé dans le conduit 38 à partir de la surface du puits, et il est introduit dans le cylindre en déplaçant le piston 50 et la partie flexible 56 vers le bas pour déplacer le tube d'écoulement 28 au travers de l'élément obturateur 24 de la vanne, de façon à ouvrir la vanne 10. Quand la vanne 10 est amenée dans la position d'ouverture, l'élément de soupape 60 en forme de bille s'appuie contre le siège associé 62, et est maintenu de façon étanche sur celui-ci par la pression hydraulique du fluide existant dans le conduit 38. L'élément de soupape 60 maintient une force appliquée vers le bas sur la partie flexible de piston 56 et sur le piston 50, afin de maintenir la vanne dans la position d'ouverture. Lorsque l'on désire fermer la vanne, la pression hydraulique régnant dans le conduit de commande 38 est réduite, et les moyens de poussée comprenant le ressort 32 en combinaison avec la pression du fluide du puits s'écoulant dans le passage 20 autour du tube d'écoulement 28 et agissant sur la base du piston 50, déplacent le piston et le tube d'écoulement 28 vers le haut, permettant ainsi la fermeture de l'élément obtu- rateur 24 de la vanne. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et repré- -11- 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. -12- REVENDICATIONS 1.- Vanne de sécurité pour puits, servant à commander l'écoulement de fluide au travers d'un conduit du puits et comportant un carter pourvu d'un passage, ainsi qu'un élément obturateur de vanne placé dans le passage et se déplaçant entre des positions d'ouverture et de fermeture, un tube d'écoulement mobile télescopi- quement dans le carter pour commander le mouvement de l'élément obturateur de la vanne, des moyens pour pousser le tube d'écoulement dans une direction permettant le déplacement de l'élément obturateur jusque dans la position de fermeture, caractérisée en ce qu'il est prévu des moyens pour déplacer le tube d'écoulement (28) dans une direction d'ouverture de l'élément obturateur (24) de la vanne (10), lesdits moyens présentant les particularités suivantes: - ledit carter (12) comporte un cylindre (40, 42) pourvu d'une partie non rectiligne (42), et d'un conduit (48) communiquant avec ledit cylindre (40, 42) et adapté pour recevoir du fluide hydraulique provenant de la surface du puits, - un piston (50, 56) est déplaçable dans le cylindre (40, 42), et entre en contact avec le tube d'écoulement (28), un côté du piston (50) étant en - communication avec le conduit (48) pour être sollicité par du fluide hydraulique pour déplacer le tube d'écou- lement (28) dans une direction d'ouverture de l'élément obturateur (24) de la vanne, - ledit piston comporte une partie flexible (56) reliée au côté précité pour se déplacer au travers de la partie non rectiligne (42) du cylindre, et - il est prévu un élément de soupape (60) et un siège associé (62) dans le cylindre entre le conduit (48) et ledit côté du piston (50) afin de maintenir ce dernier dans la position ouverte. -13- 2.- Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de soupape (60) est séparé de la partie flexible (56) du piston (50). 3.- Vanne de sécurité selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément de soupape (60) a une dimension extérieure plus grande que la dimension exté- rieure de la partie flexible (56) du piston (50). 4.- Vanne de sécurité selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'élément de soupape (60) est une bille. 5.- Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie non rectiligne (42) du cylindre comporte une partie incurvée. 6.- Vanne de sécurité selon l'une des revendica- tions 1 à 5, caractérisée en ce que le piston (50) com- prend un joint métallique en cloche (52, 54). 7.- Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une partie du cylindre, dans la- quelle se déplace la partie flexible (56) du piston (50), est positionnée à l'extérieur du carter (12). 8.- Vanne de sécurité pour puits, servant à com- mander l'écoulement de fluide au travers d'un conduit du puits et comportant un carter pourvu d'un passage ainsi qu'un élément obturateur de vanne placé dans le passage et se déplaçant entre des positions d'ouverture et de fermeture, un tube d'écoulement mobile télescopi- quement dans le carter pour commander le mouvement de l'élément obturateur de la vanne, des moyens pour pousser -14- le tube d'écoulement vers le haut pour permettre à l'é- lément obturateur de la vanne de se déplacer jusque dans la position de fermeture, caractérisée en ce qu'il est prévu des moyens pour déplacer le tube d'écoulement (28) vers le bas pour ouvrir l'élément obturateur (24) de la vanne (10), desdits moyens présentant les parti- cularités suivantes: - ledit carter (12) comporte un cylindre (40, 42) pourvu d'une partie rectiligne (40) et d'une partie incurvée (42), ainsi qu'un conduit (48) adapté pour être en communication avec le cylindre (40, 42) et pour recevoir du fluide hydraulique provenant de la surface du puits, - un piston (50, 56) est mobile dans le cylindre (40, 42) et est relié au tube d'écoulement (28), un côté du piston étant en communication avec le conduit (48) pour être sollicité par du fluide hydraulique, afin de déplacer le tube d'écoulement (28) vers le bas pour ouvrir l'élément obturateur (24) de la vanne, - ledit piston (50) comporte une partie flexible (56) reliée à la partie supérieure du joint métallique d'étanchéité (50), ladite partie flexible (56) étant adaptée pour se déplacer dans la partie incurvée (42), - il est prévu, dans le cylindre, un premier élément de soupape (60) et un siège de soupape associé (62) audessus du piston (50), pour arrêter le fluide hydraulique provenant de la surface du puits quand l'élément obturateur de la vanne est ouvert, et pour entrer en contact avec la partie flexible (56) et main- tenir le piston (50) dans la position d'ouverture, et - il est prévu un second élément de soupape (70) et un siège de soupape associé (72) placés en dessous du piston (50), pour isoler le cylindre du fluide de puits quand l'élément obturateur (24) de la vanne est fermé. -15- 9.- Vanne de sécurité selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'élément de soupape (60) est séparé de la partie flexible (56) du piston (50). 10.- Vanne de sécurité selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'élément de soupape (60) a une dimension extérieure plus grande que la dimension exté- rieure de la partie flexible (56) du piston (50). 11.- Vanne de sécurité selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'élément de soupape (60) est une bille. 12.- Vanne de sécurité selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'une partie du cylindre, dans la- quelle se déplace la partie flexible (56) du piston (50), est positionnée à l'extérieur du carter (12).