Brevet FR2578619A1 — publié le 19860912

La présente invention concerne une vanne de sécu- rité pour puits, capable de résister à des températures élevées. Dans des puits de production de pétrole, il est devenu important de prévoir une vanne de sécurité utilisa- ble dans des environnements à températures élevées. Par exemple pour améliorer la récupération, il est classique d'injecter de la vapeur dans un puits pour chauffer et fluidifier l'huile afin d'améliorer la récupération. Ainsi, on fait intervenir des températures élevées, pouvant aller jusqu'à 425 C. Normalement, les vannes de sécurité connues, intégralement en métal, pourraient convenir, mais la dif- ficulté provient des lubrifiants nécessaires pour le fonc- tionnement du moyen d'actionnement de piston. En effet, la plupart des fluides de lubrification ne se trouvent pas à l'état liquide à des températures extrêmement élevées pour assurer le pouvoir lubrifiant désiré pour un mécanis- me du type à cylindre et piston métalliques. La présente invention concerne une vanne de sécu- rité pour puits, comportant un dispositif d'actionnement fluidique utilisant un piston en céramique qui est dépla- Gable dans un cylindre comportant une partie intérieure en céramique. Un ensemble cylindre-piston en céramique ne procure pas une bonne étanchéité, mais offre une résistance à un écoulement fluidique suffisante pour l'actionnement de la vanne de sécurité. Cependant, un ensemble à cylindre et piston en céramique est capable de résister à des tem- pératures extrêmement élevées sans lubrifiants. Pour obte- nir une meilleure étanchéité, le cylindre comporte avanta- geusement deux sièges métalliques de vanne espacés l'un de l'autre, tandis que le piston comporte deux éléments mé- talliques de vanne pour assurer l'étanchéité de l'ensemble cylindre-piston en céramique au niveau des fins de course. La présente invention concerne une vanne de sécu- rité pour puits servant à commander un écoulement de flui- de, ladite vanne comportant un carter et un élément obtu- rateur se déplaçant entre des positions d'ouverture et de fermeture pour commander l'écoulement de fluide dans le passage central de la vanne. Un tube d'écoulement, mobile télescopiquement dans le carter, permet de commander le - mouvement de l'élément obturateur de la vanne, et des mo- yens de poussée sont prévus pour faire déplacer le tube d'écoulement dans une direction de fermeture de la vanne. Il est prévu dans le carter un cylindre qui comporte une partie intérieure en céramique. Un piston en céramique est mobile dans la partie intérieure en céramique du cylindre en réponse à du fluide agissant dans le cylindre, et le piston est relié à et déplace le tube d'écoulement. D'un côté du piston, le cylindre est adapté pour être mis en communication avec un passage de commande fluidique, et de l'autre c6té du piston, il est adapté pour être mis en com- munication avec un fluide de poussée. Le cylindre comprend des premier et second sièges métalliques de soupage espa- cés, et des premier et second éléments métalliques de sou- pape sont reliés au piston. Les premier et second éléments sont espacés l'un de l'autre, de manière à être alternati- vement appliqués contre et écartés des premier et second sièges de soupape, lorsque le piston se déplace alternati- vement dans le cylindre. Selon encore une autre particularité de la pré- sente invention, le piston comporte un joint en labyrinthe. Selon encore une autre particularité de l'inven- tion, le piston comporte une pluralité de gorges circulai- res. Selon encore une autre particularité de l'invention, la partie intérieure en céramique du cylindre est un man- chon positionné entre et espacé des sièges métalliques de soupape. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mis en évidence dans la suite de la des- cription, donnée à titre d'exemple non limitatif, en ré- férence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures 1A et lB sont des prolongements l'une de l'autre et représentent, en vue en élévation et en coupe au quart, une vanne de sécurité pour puits conforme à la présente invention et représentée dans la position d'ou- verture, - la figure 2 est une vue en coupe faite selon la ligne 2-2 de la figure lB, et - la figure 3 est une vue en coupe fragmentaire à échelle agrandie du dispositif d'actionnement fluidique. Bien que la présente invention soit décrite en relation avec une vanne de sécurité pour colonne de pro- duction comportant un élément obturateur du type clapet, il ne s'agit que d'un exemple, et il va de soi que la pré- sente invention peut être appliquée à d'autres types de vannes de sécurité et à d'autres éléments obturateurs de vannes. En référence maintenant aux dessins, et particu- lièrement aux figures 1A et 1 B, la référence numérique 10 désigne dans son ensemble une vanne de sécurité pour co- lonne de production de puits conforme à la présente inven- tion. Cette vanne comprend un corps ou carter 12 adapté pour être raccordé à une colonne de production, afin de permettre une exploitation du puits dans des conditions normales de fonctionnement; cependant, la vanne de sécu- rité peut se fermer ou être fermée en réponse à des condi- tions anormales. La vanne 10 comporte un passage central 14, un siège annulaire 16 disposé autour du passage 14, un élément obturateur tel qu'un clapet 18 relié au carter 12 par un pivot 20. En conséquence, lorsque le clapet 18 se trouve dans la position haute et est appliqué contre le siège 16, la vanne de sécurité 10 est fermée pour arrêter l'écoule- ment dirigé vers le haut dans le passage 14 et la colonne de production du puits. Un élément tubulaire longitudinal ou tube d' écou- lement 22 est mobile télescopiquement dans le carter 12 et au travers du siège 16. Comme le montre mieux la figure lB, quand le tube d'écoulement 22 est déplacé jusque dans une position basse, le tube 22 pousse le clapet 18 en l'écar- tant du siège 16. En conséquence, la vanne est maintenue dans la position d'ouverture aussi longtemps que le tube 22 se trouve dans la position basse. Quand le tube 22 est déplacé vers le haut, le clapet 18 peut se déplacer vers le haut jusque contre le siège 16, sous l'action d'un res- sort 24. Le tube d'écoulement 22 est poussé vers le haut dans une direction verticale par un moyen approprié, qui peut comporter un ressort 26, en vue de repousser élasti- quement vers le haut le tube d'écoulement 22, afin de li- bérer le clapet 18 pour la fermeture de la vanne 10. La vanne de sécurité 10 est commandée par application ou éva- cuation d'un fluide sous pression, comme de la vapeur d'eau, par l'intermédiaire d'un conduit ou voie de commande, par exemple un ou plusieurs conduits de commande 32, s'é- tendant jusqu'à la surface du puits ou dans l'intervalle annulaire de la colonne, afin de faire arriver de la va- peur sous pression sur la partie supérieure d'un ou plu- sieurs pistons 40 (figure 3) qui sont accouplés au tube d'écoulement 22 par une liaison à languette et rainure 42, de manière à faire descendre le tube d'écoulement 22 pour écarter le clapet 18 de son siège 16, et l'amener dans la position d'ouverture complète. La vanne de sécurité 10 est Z578619 commandée par application ou évacuation de fluide sous pression, par l'intermédiaire du conduit de commande 32 et d'un passage de fluide 46 permettant de faire arriver du fluide sous pression dans un cylindre 48 et sur le haut du piston 40. La partie inférieure du piston 40 est soumise à la pression fluidique régnant dans le passage 14, ou bien dans le cas d'autres types de vannes de sécu- rité, à la pression fluidique régnant dans l'intervalle annulaire de la colonne, qui agit sur le piston 40 pour pousser le tube d'écoulement 22 jusque dans la position de fermeture quand la pression de commande fluidique est sup- primée dans le conduit de commande 32. Ainsi que cela a été dit plus haut, les lubri- fiants utilisés aux températures extrêmement élevées inter- venant dans des puits soumis à une injection de vapeur d'eau, par exemple à 425 C, ne se trouvent pas à l'état liquide. Il est ainsi prévu, dans le cadre de la présente invention, un piston 40 réalisé à partir d'un matériau cé- ramique approprié, et qui se déplace dans un cylindre 48 comportant une partie intérieure en céramique, comme un manchon 50 en céramique, comme illustré plus en détail à la figure 3. Un matériau céramique approprié est le maté- riau de type K-6 vendu par la Société Coors Ceramics. Le piston 40 en céramique et le manchon 50 en céramique ont un pouvoir lubrifiant suffisant pour pouvoir résister aux températures extrêmement élevées rencontrées dans des puits à injection de vapeur d'eau. Pour son fonctionnement, le piston 40 n'a pas besoin d'être pourvu d'un joint effi- cace dans le cylindre 48, et il suffit de prévoir un joint à faible intervalle de fuite, qui offre une résistance à un écoulement de fluide tout en établissant un léger jeu. De préférence le piston 40 peut définir un joint en laby- rinthe, se présentant par exemple sous la forme d'une pluralité de gorges circonférentielles 52 exerçant un mi- nimum d'action d'étanchéité. En fait, le piston 40 pour- rait être seulement constitué par une tige allongée lisse en matériau céramique, montée suffisamment étroitement dans le cylindre 48, pour que la perte de charge agissant sur le piston soit suffisante pour déplacer le tube d'é- coulement 22. Cependant, du fait que le piston 40 et le manchon en céramique autorisent une certaine fuite, il est sou- haitable de prévoir pour l'élément de soupape des joints efficaces qui procurent une excellente étanchéité dans les deux directions pour le piston 40 à double effet. En référence maintenant aux figures 1A et 3, le cylindre 48 comprend un premier siège métallique de sou- pape 60 placé du côté du piston 40 et communiquant avec le passage 46 de commande fluidique, de manière que du fluide de commande sous pression puisse s'écouler jusqu'à et agir sur la partie supérieure du piston 40 par l'intermédiaire du siège de soupape 60. Un second siège métallique de sou- pape 62 (figure 1A) est prévu sur le cylindre 48, pour l'autre côté du piston 40, et par son intermédiaire une pression d'un fluide de poussée, telle que celle régnant dans le passage 14, peut parvenir sur le côté inférieur du piston 40 et assurer son actionnement. Il est prévu un pre- mier élément métallique de soupape 64 relié au premier côté du piston 40 et adapté pour s'appliquer contre le premier siège de soupape 60, pour établir une étanchéité efficace quand le piston 40 s'écarte du siège de soupape 60 (figu- res 1A et 3). Un second élément métallique de soupape 66 (figure lB) est adapté pour s'appliquer contre le second siège de soupape 62, et établir une étanchéité efficace quand le piston 40 s'écarte du second siège de soupape 62. De préférence l'élément de soupage 64 est relié au piston par une liaison universelle à rotule 68 et alvéole 70, afin de permettre au piston 40 de s'aligner de lui-même correctement dans le cylindre 48, sans risque de grippage. En conséquence le piston 40 réalise seulement un joint dynamique dans le piston 40, ce qui est suffisant pour permettre un mouvement du piston 40 dans le cylindre 48 en vue de l'actionnement du tube d'écoulement 22. Les éléments de soupape 64 et 66 établissent des joints sta- tiques et efficaces quand ils viennent s'appliquer contre leurs sièges respectifs 60 et 62. En conséquence, lors de l'utilisation des éléments de soupape 64 et 66, une fuite de fluide devant le piston 40 ne fait pas en sorte que le système d'actionnement fluidique devienne inopérant tant que le piston 40 dispose d'une étanchéité suffisante dans le cylindre 48 pour déplacer les éléments de soupape 64 et 66 jusque dans leur position d'application contre leur siège. Une fois que les éléments de soupage 64 et 66 sont appliqués contre leur siège, la pression fluidique agissant sur le c8té arrière des éléments 64 et 66 maintient effi- cacement ces éléments appliqués contre leur siège. En fonctionnement, lorsqu'un fluide de commande sous pression tel que de la vapeur d'eau est introduit dans le conduit 32, ce fluide s'écoule dans le passage 46 puis jusque dans le cylindre 48 au-dessus du piston 40, en dé- plaçant ce dernier vers le bas, et par conséquent également le tube d'écoulement 22, pour ouvrir le clapet 18. Un mou- vement de descente du piston 40 entraine l'élément de sou- pape 64 vers le bas, jusqu'à ce qu'il entre en contact avec et s'appuie contre le siège 60 associé pour établir une étanchéité efficace, et la pression fluidique régnant dans le passage 46 agit sur le côté arrière de l'élément de soupape 64 pour le maintenir dans la position de ferme- ture étanche. Lorsqu'on désire fermer la vanne, la pression régnant dans le conduit de commande fluidique 32 est ré- duite, diminuant ainsi la pression dans le passage 46 et sur le haut de l'élément de soupape 54. La pression exercée par le fluide de poussée dans le passage 14 de la vanne de sécurité 10, ou bien dans l'intervalle annulaire de la co- lonne (non représentée), est transmise au cylindre 48 et à la partie inférieure du piston 40, et elle assure, en coopération avec le ressort 26, la poussée du piston 40 vers le haut, jusqu'à ce que l'élément de soupape 66 vien- ne s'appliquer contre son siège 62 pour établir une étan- chéité efficace dans la direction orientée vers le haut. Ensuite, la pression exercée par le fluide de poussée agit sur le côté arrière de l'élément de soupape 70, en même temps que l'action du ressort 26, pour maintenir cet élé- ment 66 dans une position d'application étanche contre son siège 62. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'au- tres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Vanne de sécurité pour puits, servant à com- mander un écoulement de fluide dans un conduit du puits et comportant un carter délimitant un passage central, ainsi qu'un élément obturateur de la vanne se déplaçant entre des positions d'ouverture et de fermeture pour com- mander l'écoulement de fluide dans ledit passage, un tube d'écoulement mobile télescopiquement dans le carter pour commander le mouvement de l'élément obturateur de la van- ne, et un moyen de poussée pour déplacer le tube d'écoule- ment dans une direction de fermeture de la vanne, caracté- risée en ce qu'il est prévu des moyens d'actionnement flui- dique pour assurer l'actionnement du tube d'écoulement (22), lesdits moyens présentant les particularités suivantes: - il est prévu dans le carter (12) un cylindre (48) compor- tant une partie intérieure (50) en céramique, - il est prévu un piston (40) en céramique, déplaçable dans la partie intérieure en céramique du cylindre (48) en ré- ponse à un fluide agissant dans le cylindre, ledit piston étant relié au tube d'écoulement (22) et assurant son déplacement, - ledit cylindre (48) est adapté, sur un côté du piston, pour être en communication avec un passage de commande fluidique alors que, sur le second c8té du piston, il est adapté pour être en communication avec un fluide de poussée, - ledit cylindre comprend des premier et second sièges métalliques de soupape (60, 62) espacés l'un de l'autre, et - il est prévu des premier et second éléments métalliques de soupage (64, 66) reliés au piston, lesdits premier et second éléments (64, 66) étant espacés l'un de l'autre de manière à s'appliquer alternativement respectivement contre les premier et second sièges de soupape (60, 62) et à s'écarter alternativement de ceux-ci, lorsque le piston (40) se déplace alternativement dans le cylindre (48). 2. Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le piston (40) comprend un joint en labyrinthe. 3. Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le piston (40) présente une plura- lité de gorges circulaires (52). 4. Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie intérieure en céramique du cylindre (48) est un manchon (50) disposé entre et espacé desdits sièges métalliques (60, 62).