Brevet FR2574151A1 — publié le 19860606

La présente invention concerne une vanne de sûreté pour puits. A mesure que les profondeurs de forage de puits de pétrole et de gaz augmentent, il devient de plus en plus nécessaire de perfectionner les vannes de sûreté utilisées à de grandes profondeurs. CGénéralement, des van- nes de sûreté pour puits sont actionnées dans la position d'ouverture par un mécanisme à piston et cylindre en ré- ponse à un fluide hydraulique introduit dans une canali- sation de commande hydraulique s'étendant de la vanne de sûreté jusqu'en surface. A mesure que la profondeur à la- quelle la vanne de sûreté est installée augmente, la char- ge hydrostatique dans la canalisation de commande fluidi- que aboutissant au mécanisme à piston et cylindre augmente et doit être contrebalancée pour assurer la fermeture de la vanne de sûreté. Lors de la conception des vannes de sûreté, on ne peut pas faire intervenir la pression ré- gnant dans la colonne de production pour produire la force de fermeture, puisqu'elle n'est pas toujours disponible ou peut être assez variable. En conséquence, la vanne de sûreté doit disposer d'une autre source d'énergie pour fonctionner de façon sûre et fiable, et se fermer dans toutes les conditions. Un autre type de moyen de fermeture a été obtenu en utilisant la force d'un ressort. pour fer- mer la vanne. Cependant la force maximale qu'un ressort peut exercer reste limitée, et en conséquence elle n'est pas suffisante dans des puits de grandes profondeurs pour vaincre la force hydrostatique antagoniste dans la canali- sation de commande. Une autre solution proposée pour la compensation de la charge hydrostatique dans la canalisa- tion de commande consiste à prévoir une seconde canalisa- tion, dite canalisation d'équilibrage, qui est reliée au second côté du mécanisme à piston et cylindre et qui -2- s'étend jusqu'en surface pour produire sur le mécanisme à piston et cylindre une force d'équilibrage de la charge hydrostatique. Théoriquement, cette solution serait satis- faisante si les différents joints d'étanchéité prévus dans la vanne de sûreté restaient toujours opérationnels. Cependant, dans le cas d'une défaillance d'un joint d'étanchéité, du gaz contenu dans le fluide circulant dans le puits pénétrerait dans la canalisation d'équili- brage, et réduirait par dilution la densité du fluide produisant la charge hydrostatique d'équilibrage, provo- quant ainsi un déséquilibrage par rapport à la charge hydrostatique et empêchant la fermeture de la vanne. La présente invention concerne une vanne de sûreté fiable et son procédé d'actionnement, et a pour but de faire en sorte que la charge hydrostatique dans la canalisation de commande hydraulique soit équilibrée, et de préférence contrebalancée, pour créer de façon fia- ble une force de fermeture tandis que, simultanément, le mécanisme et piston decylindre est protégé contre le flui- de d'équilibrage, et que le fluide d'équilibrage n'est pas soumis à une chute de densité par dilution à un degré tel que ce fluide devienne incapable de produire une for- ce de fermeture avec la fiabilité voulue. La présente invention concerne un procédé de compensation des effets de la charge hydrostatique sur un outil qui est actionné dans un puits par un mécanisme à piston et cylindre, et qui est sollicité au moyen d'une canalisation de commande de fluide hydraulique reliée à un c8té du mécanisme et s'étendant jusqu'en surface. Le procédé consiste à exposer le second c8té du mécanisme à une colonne fluidique présentant sensiblement la même charge hydrostatique que celle de la canalisation de -3- commande, la colonne fluidique contenant un plus grand volume de fluide que le volume de fluide hydraulique se trouvant dans la canalisation de commande, de sorte qu'une exposition de la colonne fluidique à du gaz ne modifie pas sensiblement la densité du fluide correspon- dant. Le procédé de la présente invention consiste également à faire en sorte que la densité du fluide de la colonne soit supérieure à celle du fluide hydraulique se trouvant dans la canalisation de commande, en produi- sant ainsi une force de fermeture agissant sur le méca- nisme à piston et cylindre. Encore un autre objet de la présente invention consiste à placer un fluide tampon entre le second côté du mécanisme et la colonne fluidique, pour protéger le mécanisme contre le fluide qui est dans ladite colonne. Selon encore un autre objet de la présente in- vention, le volume du fluide tampon est supérieur au vo- lume déplacé par actionnement du mécanisme à piston et cylindre, de façon que le fluide tampon reste en place entre le mécanisme et la colonne fluidique. Selon encore un autre objet de la présente in- vention, la densité du fluide tampon est inférieure à la densité du fluide qui est dans ladite colonne. Un autre objet de la présente invention consiste à perfectionner une vanne de sûreté pour puits, servant à commander l'écoulement de fluide dans un conduit du puits, et comportant un carter tubulaire et un élément obturateur se déplaçant entre des positions d'ouverture et de fermeture, o un mécanisme à piston et cylindre est positionné dans le carter et est relié à l'élément obtu- rateur de la vanne pour assurer son déplacement. Un côté du mécanisme est adapté pour être relié à une canalisation -4- de commande hydraulique s'étendant jusqu'en surface, pour déplacer l'élément obturateur de la vanne dans la posi- tion d'ouverture. Le perfectionnement consiste à prévoir un moyen pour compenser la pression hydrostatique régnant dans la canalisation de commande en disposant dans le carter un réservoir en communication avec l'autre côté du mécanisme et avec l'extérieur du carter, et adapté pour être exposé à une colonne fluidique placée à l'extérieur du carter et qui s'étend jusqu'en surface, en vue d'une compensation hydrostatique de la pression hydrostatique s'exerçant dans la canalisation de commande. Un fluide tampon est disposé dans le réservoir pour limiter l'accès du fluide dans le mécanisme, et le réservoir comporte un étranglement entre le fluide tampon et l'extérieur du carter pour retenir le fluide tampon dans le réservoir. Selon encore un autre objet de l'invention, le volume du réservoir est supérieur au volume déplacé dans le mécanisme lors de l'actionnement du mécanisme à piston et cylindre, afin que le réservoir retienne le fluide tampon lorsque le mécanisme est actionné. Selon encore un autre objet de l'invention le réservoir comprend un élément tubulaire. Selon encore un autre objet de l'invention, la densité du fluide tampon est inférieure à la densité du fluide de la colonne fluidique, de manière que le fluide tampon soit retenu dans le réservoir. La densité du flui- de hydraulique se trouvant dans la canalisation de com- mande est avantageusement inférieure à la densité du fluide de la colonne fluidique, de manière qu'une solli- citation vers la fermeture soit exercée par la colonne du fluide plus lourd. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mis en évidence dans la suite de la descrip- tion, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: -5- - les figures 1A, lB, 1C, 1D et 1E se complè- tent mutuellement et sont des vues en élévation fragmen- taires, en partie en coupe, montrant une vanne de sûreté pour puits, mettant en oeuvre la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe faite selon la liane 2-2 de la figure 1A, et - la figure 3 est une vue en coupe faite selon la ligne 3-3 de la figure lB. Bien que la présente invention soit représen- tée dans une application à une vanne de sûreté pour puits souterrain, seulement à titre d'illustration, il va de soi qu'elle peut être appliquée à d'autres types d'outils de puits qui sont actionnés par un mécanisme à piston et cylindre à partir d'une canalisation de comman- de de fluide hydraulique aboutissant en surface. En référence maintenant aux dessins, en par- ticulier aux figures 1A à 1E, la vanne de sûreté pour puits souterrain conforme à la présente invention est désignée dans son ensemble par la référence numérique 10, et est représentée comme étant d'un type non récupé- rable, en vue d'un branchement dans un conduit ou colon- ne de production 11 du puits, par exemple par des liai- sons filetées. La vanne de sûreté 10 comprend d'une fa- son générale un corps ou carter tubulaire 12 adapté pour être relié à une colonne de production 11 pour former une partie du puits et pour empêcher une progres- sion de l'écoulement de production vers le haut dans des conditions de fonctionnement normal. La vanne de sû- reté 10 peut se fermer ou être fermée en réponse à des conditions anormales, telles que celles pouvant se ma- nifester dans le cas d'une surproduction du puits, d'une éruption, ou bien en cas de défaillance d'un équipement du puits. -6- La vanne de sûreté 10 comprend d'une façon générale un alésage 14, un siège annulaire 16 de vanne positionné autour de l'alésage 14, un élément obturateur de vanne, tel qu'un clapet battant 18 relié au corps 12 par un axe de pivot 20 et qui est poussé vers une posi- tion d'appui contre le siège par un ressort 24. En con- séquence, quand le clapet 18 se trouve en position haute et s'appuie contre le siège 16, la vanne de sûreté 10 est fermée, et interrompt l'écoulement dirigé vers le haut dans l'alésage 14. Un tube ou organe tubulaire coulissant 22 est mobile télescopiquement dans le corps 12 et à travers le siège 16 de vanne. Quand l'organe tubulaire 22 est déplacé à une position basse, comme le montre mieux la figure 1E, l'organe 22 pousse le clapet 18 pour l'écarter du siège de soupape 16. En conséquence, la vanne 10 est maintenue dans la position ouverte aussi longtemps que l'organe tubulaire 22 se trouve dans la position basse. Quand l'organe tubulaire 22 est déplacé vers le haut, le cla- pet 18 peut se déplacer vers le haut en appui contre le siège 16 sous l'action du ressort 24 et également sous l'action du courant de fluide se déplaçant vers le haut dans l'alésage 14 du corps 12. Diverses forces peuvent être utilisées pour agir sur l'organe tubulaire 22 afin de commander son mou- vement de telle sorte que, dans des conditions de fonc- tionnement normal, l'organe tubulaire 22 soit déplacé dans la position basse, maintenant le clapet 18 écarté du siège 16, de telle sorte que la vanne 10 soit ouverte. Lorsque cela est souhaité, ou bien quand des conditions anormales se produisent, l'organe tubulaire 22 est dé- placé vers le haut en permettant au clapet 18 de se fer- mer, pour arrêter l'écoulement au travers de la vanne -7- et de la colonne de production du puits 11. En consé- quence, comme le montrent mieux les figures 1D et 1E, des moyens de sollicitation, tels qu'un ressort 26 ou une chambre sous pression (non représentée) peuvent agir entre un épaulement 28 du corps de vanne 12 et un épaulement 30 formé sur l'organe tubulaire 22 pour sol- liciter élastiquement l'organe tubulaire 22 vers le haut, afin de dégager le clapet 18 pour la fermeture de la vanne 10. En référence maintenant aux figures 1A et lB, il est prévu un mécanisme à piston et cylindre, dé- signé dans son ensemble par la référence numérique 30, comportant un piston 32 déplaçable dans un cylindre 34. Par exemple, le piston 32 peut être un piston annulaire déplaçable télescopiquement dans le cylindre annulaire 34. Un côté du mécanisme à piston et cylindre 30 est en com- munication, par l'intermédiaire d'un passage 35, avec un orifice 36 qui est adapté pour être relié à une ca- nalisation de commande hydraulique 15 s'étendant jus- qu'en surface, en vue d'assurer le déplacement d'un des éléments constitués par le piston 32 et le cylindre 34 (ici le piston 32) qui est relié à l'organe tubulaire 22 dans une direction assurant l'ouverture de la vanne 10. Une réduction de la pression dans la canalisation 15 permet la fermeture de la vanne, par exemple au moyen du ressort 26. Il est parfois nécessaire d'utiliser la vanne de sûreté 10 à de grandes profondeurs dans un puits, par exemple à des profondeurs de l'ordre de 4500 mètres, ce qui se traduit par la présence dans la canalisation 15 d'une charge hydrostatique élevée agis- sant sur le mécanisme à piston et cylindre 30 dans la direction d'ouverture de la vanne 10. Le problème le -8- plus important à résoudre avec les vannes de sûreté ins- tallées à de très grandes profondeurs réside dans la difficulté d'avoir une vanne fiable, c'est-à-dire une vanne qui se ferme lorsque la pression fluidique d'ac- tionnement régnant dans la canalisation de commande 15 est relachée. Le brevet américain N 4 161 219 décrit une vanne de sûreté pour puits dans laquelle la pression régnant dans le puits ou la colonne de production du puits, à l'intérieur de la canalisation 15, agit sur le second côté du mécanisme à piston et cylindre dans une direction provoquant la fermeture de la vanne. Cepen- dant, lors de la conception d'une vanne de sûreté, la pression régnant dans la canalisation 15 n'est pas pri- se en considération, puisqu'elle n'existe pas toujours ou bien qu'elle est variable. Bien qu'un moyen de sol- licitation tel que le ressort 26 agisse dans une direc- tion provoquant la fermeture de la vanne de sûreté, la force maximale pouvant être exercée par le ressort 26 - limite généralement l'installation de la vanne à des profondeurs d'environ 3 000 mètres. Une autre solution connue pour vaincre la pression hydrostatique élevée régnant dans la canalisation de commande 15 a consisté à utiliser une seconde canalisation d'équilibrage hy- draulique, reliée au second côté du mécanisme à piston et cylindre 30 et s'étendant jusqu'en surface. En théo- rie, la canalisation d'équilibrage établit une charge hydrostatique égale et opposée s'exerçant sur le méca- nisme à piston et cylindre 30 pour contrebalancer la charge hydrostatique régnant dans la canalisation 15. Cependant, si les joints d'étanchéité assurant l'étan- chéité du second côté du mécanisme à piston et cylin- dre deviennent défectueux, du gaz se trouvant dans l'alésage 14 pourrait passer dans la canalisation --9-- d'équilibrage et réduirait la densité du fluide hydrau- lique dans la canalisation d'équilibrage à un degré tel, que le fluide hydraulique d'équilibrage ne pour- rait plus contrebalancer la charge hydrostatique ré- gnant dans la canalisation 15, et dans ce cas la vanne ne se fermerait pas. En conséquence, un aspect essentiel de la présente invention réside dans la réalisation d'une vanne de sûreté ou vanne de puits actionnée hydrauli- quement, dans laquelle le second côté du mécanisme à piston et cylindre 30 est exposé à une colonne fluidi- que présentant une charge hydrostatique sensiblement égale ou supérieure à la charge hydrostatique de la ca- nalisation de commande 15, et dans laquelle la colonne fluidique a un volume de fluide bien supérieur au volume de fluide hydraulique se trouvant dans la canalisation de commande 15, de sorte que l'exposition de la colonne fluidique à du gaz ne modifie pas sensiblement la den- sité du fluide. Si l'on se réfère maintenant aux figures lB et 1C, un réservoir 40, par exemple sous forme d'un élément tubulaire continu, comporte une première extré- mité 42 en communication avec le passages44 qui est lui-même en communication avec le second côté du méca- nisme à cylindre et piston 30. La seconde extrémité 42' du récipient tubulaire 40 est exposée au fluide se trou- vant dans la zone annulaire 13 adjacente à la périphérie de la vanne 10, par l'intermédiaire d'un étranglement 46 qui permet une communication fluidique, aucun joint d'étanchéité n'étant ici prévu. En supposant que la zone annulaire 13 entourant le carter 12 représente une zone ouverte d'eau de mer, la valeur de la charge hydrostati- que de l'eau de mer est approximativement égale à la hauteur de charge de la canalisation de commande hydrau- -10- lique 15. Cependant, étant donné que le volume de l'eau de mer se trouvant dans la zone annulaire 13 entourant la vanne 10 est largement supérieur au volume de fluide hydraulique se trouvant dans la canalisation de comman- de 15, une éventuelle défaillance de joints d'étanchéité de la vanne 10, qui laisserait fuir du gaz provenant de la colonne de production 11 dans la zone annulaire 13, ne saurait permettre à une quantité suffisante de gaz de réduire la densité de l'eau de mer suffisamment pour affecter son action d'équilibrage sur le mécanisme à piston et cylindre 30. En outre, puisque l'eau de mer est plus dense ou plus lourde que le fluide hydraulique se trouvant dans la canalisation de commande 15, c'est- à-dire de l'huile hydraulique qui a une charge hydros- tatique d'environ 7,6.103 Pa/m, alors que l'eau de mer a une charge hydrostatique approximativement de 9,5.103 Pa/m, l'eau de mer exercera toujours une sollicitation vers la fermeture en même temps que le ressort d'action- nement 26. Cependant, même en supposant que la zone an- nulaire 13 est une zone fermée existant entre la vanne de sûreté 10 et un tubage de puits (non représenté), le volume de cette zone serait plusieurs fois supérieur au volume de la canalisation de commande hydrolique15 et la colonne fluidique se trouvant dans la zone annu- laire 13 ne subirait aucune réduction significative de densité sous l'effet d'une fuite de gaz. En outre, dans le cas d'unezone annulaire fermée 13, la densité de la co- lonne de fluide dans cette zone serait bien supérieure à celle du fluide de commande hydraulique qui est dans la canalisation 15. Par exemple, la zone annulaire 13 d'un système fermé pourrait comporter des fluides bien plus lourds que la normale, comme du chlorure ou du bromure de calcium qui ont des gradients de charge hy- -11- - 1 - drostatique d'environ 38,5.10 Pa/m par mètre, qui exerce- raient une force de fermeture sur le mécanisme hydrauli- que à piston et cylindre 30. Bien que les composants du mécanisme hydrau- lique à piston et cylindre 30 soient réalisés à partir de matériaux non corrosifs, il est souhaitable d'empêcher des matières étrangères et/ou de l'eau de mer de conta- miner le mécanisme 30, tout en utilisant la pression ré- sultant de la charge hydrostatique créée dans la zone annulaire 13. En conséquence, le réservoir ou tube 40 est avantageusement rempli d'une graisse 50, à la fois dans un but de lubrification, et pour agir comme une barrière ou un tampon contre la colonne de fluide se trouvant dans la zone annulaire 13; par ailleurs, l'étranglement 46 permet de retenir la graisse 50. Une graisse appropriée est la graisse "Lithiumiz Hydroxy" du type "Moly", fabriquée par Hunter Chemicals. La graisse 50 située à l'intérieur du réservoir 40 se dé- place vers le haut ou vers le bas dans le réservoir 40 lorsque le mécanisme à piston et cylindre 30 est action- né. En conséquence, le volume de fluide déplacé par ac- tionnement du mécanisme à piston et cylindre 30 doit être inférieur à la moitié du volume du réservoir 40 pour faire en sorte que le volume de graisse reste dis- posé entre la zone annulaire 13 et le mécanisme 30 en cours de fonctionnement. En outre, la graisse, qui a une densité inférieure à celle de l'eau, ou au fluide se trouvant dans la zone annulaire 13, n'a pas tendance à se répandre dans la zone annulaire 13, mais au contraire flotte sur le fluide de la colonne pénétrant dans le réservoir 40. -12- Le procédé de la présente invention ressort de la description de la structure préférée faite ci- dessus. Plus précisément, le procédé consiste à compen- ser les effets de la charge hydrostatique s'exerçant sur un outil qui est actionné dans un puits par un mé- canisme à piston et cylindre, et qui est sollicité au moyen d'une canalisation de commande hydraulique reliée à un côté du mécanisme et s'étendant jusqu'en surface. Le procédé consiste à exposer le second côté du mécanis- me à une colonne fluidique, soumise sensiblement à la même charge hydrostatique que celle de la canalisation de commande, ladite colonne fluidique contenant un plus grand volume de fluide que le volume de fluide hydrau- lique se trouvant dans la canalisation de commande, de sorte qu'une exposition de la colonne de fluide à du gaz se trouvant dans le puits ne change pas sensible- ment la densité du fluide. La procédé est remarquable en outre en ce que la densité dans la colonne de fluide est plus grande que la densité du fluide hydraulique se trouvant dans la canalisation de commande, ce qui produit ainsi non seulement une force de compensation mais également une sollicitation agissant sur le méca- nisme à piston et cylindre. Le procédé consiste en ou- tre à placer un fluide tampon entre le second côté du mécanisme et la colonne de fluide afin de protéger le mécanisme contre le fluide de ladite colonne. De pré- férence, le volume du fluide tampon est plus grand que le volume déplacé par actionnement du mécanisme à pis- ton et cylindre pour maintenir le fluide tampon en position entre le mécanisme et la colonne de fluide. Le procédé est aussi avantageusement tel que la densité du fluide tampon soit inférieure à la densité du flui- de se trouvant dans la colonne, de façon que la colonne -13- du fluide plus dense maintienne le fluide tampon en posi- tion. 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. -14- REVENDICATIONS 1. Vanne de sûreté pour puits pour commander l'écoulement de fluide dans un conduit de puits, compre- nant un carter tubulaire, un élément obturateur se dépla- çant entre des positions d'ouverture et de fermeture, un mécanisme à piston et cylindre disposé dans le carter et relié à l'élément obturateur de la soupape pour assurer son déplacement, un côté du mécanisme étant adapté pour être relié à une canalisation de commande hydraulique s'étendant jusqu'en surface pour déplacer l'élément obtu- rateur dans la position d'ouverture, caractérisée en ce qu'il est prévu des moyens pour compenser la pression hydrostatique dans la canalisation de commande, lesdits moyens comprenant: - un réservoir (40) placé dans le carter (12) en communi- cation entre l'autre côté du mécanisme (30) et l'exté- rieur du carter (12),-et adapté pour être exposé à une colonne de fluide (13) placée à l'extérieur du carter et s'étendant jusqu'en surface, en vue d'une compensa- tion hydrostatique de la pression hydrostatique dans la canalisation de commande (15), et - un fluide tampon (50) disposé dans le réservoir (40) pour limiter l'accès du fluide audit mécanisme (30), - ledit réservoir (40) comportant un étranglement (46) pla- cé entre le fluide tampon et l'extérieur du carter (12) pour retenir le fluide tampon (50) dans le réservoir (40). 2. Vanne de sûreté selon la revendication 1, carac- térisée en ce que le volume du réservoir (40) est plus grand que le volume déplacé dans le mécanisme (30) lors de l'ac- tionnement du piston (32) et du cylindre (34). -15- 3. Vanne de sûreté selon la revendication 2, carac- térisée en ce que la densité du fluide tampon (50) est in- férieure à la densité du fluide se trouvant dans la colon- ne fluidique (13). 4. Vanne de sûreté selon la revendication 1, carac- térisée en ce que le réservoir comprend un élément tubulai- re (40). 5. Vanne de sûreté selon la revendication 3, carac- térisée en ce que la densité du fluide hydraulique dans la canalisation de commande (15) est inférieure à la densité du fluide dans la colonne fluidique (13). 6. Procédé de compensation des effets de la charge hydrostatique sur un outil qui est actionné dans un puits par un mécanisme à piston et cylindre, et qui est sollicité au moyen d'une canalisation de commande hydraulique reliée à un côté du mécanisme et s'étendant jusqu'en surface, caractérisé en ce qu'il consiste à exposer le second côté du mécanisme (30) à une colonne de fluide présentant sensi- blement la même charge hydrostatique que celle de la cana- lisation de commande (15), et la colonne de fluide conte- nant un plus grand volume de fluide que le volume de fluide hydraulique se trouvant dans la canalisation de commande (15) de façon qu'une exposition de la colonne de fluide à un gaz ne modifie pas sensiblement la densité du fluide correspondant. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la densité du fluide de la colonne fluidique (13) est plus grande que celle du fluide hydraulique se trouvant dans la canalisation de commande, en engendrant ainsi une sollicitation agissant sur le mécanisme à cylin- dre et piston (30). -16- 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un fluide tampon (50) est interposé entre le se- cond côté dudit mécanisme (30) et la colonne de fluide (13), pour protéger le mécanisme (30) contre le fluide se trouvant dans ladite colonne (13). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le volume du fluide tampon (50) est plus grand que le volume déplacé par actionnement du mécanisme à pis- ton et cylindre (30). 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la densité du fluide tampon (50) est inférieure à la densité du fluide se trouvant dans ladite colonne.