Brevet FR2587433A1 — publié le 19870320

258?433 Il est bien connu d'utiliser une vanne de sécurité pour puits du type à clapet, comme décrit dans le brevet US n 4 161 219, selon lequel le clapet s'applique contre un siège en métal et un joint en matière élastomère pour commander l'écoulement de fluides de puits lors de l'exploitation de puits de pétrole et/ou de gaz. Cependant, la vanne de sécurité doit pouvoir résister à des environnements hotiles dans lesquels se produisent des températures et pres- sions élevées, et o les fluides passant dans le puits contiennent fréquemment des fluides corrosifs et des particules abrasives comme du sable. Puisque les vannes de sécurité doivent pouvoir rester en service pendant de nombreuses années, et être encore capables de se fermer et d'arrêter des pressions élevées, il est impor- tant que le clapet de vanne et le siège associé soient capables de conserver leur efficacité. Par ailleurs, il est bien connu que des joints en matière élastomère sont fréquemment endommagés dans de telles conditions. Des joints métalliques. flexibles, tels que ceux décrits dans le brevet US n 4 513 946, qui ont été proposés dans d'autres vannes, ne seraient pas satisfaisants pour être utilisés dans une vanne de sécurité pour puits. La présente invention concerne un siège per- fectionné intervenant dans une vanne de sécurité pour puits du type à clapet, comportant un siège annulaire métallique rigide capable de résister à des pressions extrêmement élevées, et supportant un second joint métallique flexible qui entre initialement en contact avec le clapet avant que celui-ci ne touche le siège rigide lors de sa fermeture pour établir un joint durable et surabondant qui peut résister aux conditions sévères d'environnement dans un puits de production de pétrole et/ou de gaz soumis à des températures et pressions élevées. La présente invention concerne une vanne de sécurité pour puits servant à commander l'écoule- ment de fluide dans un conduit de puits et o la vanne comporte un carter pourvu d'un passage dans lequel se déplace un clapet métallique pivotant entre des positions d'ouverture et de fermeture. Le perfection- nement apporté à un siège coopérant avec le clapet de vanne réside dans le fait de prévoir un siège annu- laire métallique rigide, dirigé vers le bas autour du-trou pour coopérer avec le clapet, un carter com- portant un évidement annulaire débouchant vers le bas et disposé au voisinage du bord extérieur du siège métallique rigide, et un joint annulaire métallique flexible logé dans l'évidement, ce joint métallique flexible comportant une base fixée dans l'évidement et une lèvre élastique d'étanchéité reliée à la base. L'extrémité de la lèvre saille initialement de l'évi- dement et est dirigée vers le bas au-delà du siège rigide pour entrer initialement en contact avec le clapet avant que celui-ci ne touche le siège rigide lors de sa fermeture. Selon un autre objet de la présente inven- tion, le siège rigide et la lèvre d'étanchéité sont dirigés vers le bas selon un certain angle, et l'angle d'orientation vers le bas de la lèvre d'étanchéité est supérieur à l'angle d'orientation vers le bas du siège rigide. Selon encore un autre objet de la présente invention, la lèvre élastique d'étanchéité a dans l'ensemble une section droite en forme de V, l'extré- mité_libre d'une des branches du V étant reliée à la base de façon que cette branche s'applique de façon étanche contre le côté de l'évidement lorsque le clapet est fermé. Selon encore un autre objet de la présente invention, il est prévu entre le siège rigide et l'évi- dement une paroi annulaire qui est dirigée vers le bas et vers l'intérieur en direction du siège rigide pour définir une surface contre laquelle la lèvre s'ap- plique de façon étanche lorsqu'elle est comprimée par le clapet. 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: - la figure 1 est une vue en élévation frag- mentaire, en partie en coupe, d'une partie d'une vanne de sécurité conforme à l'invention, représentée en position d'ouverture, - la figure 2 est une coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe à échelle agrandie du siège flexible de la présente invention, tel qu'il se présente lorsque la vanne se trouve en position d'ouverture, et - la figure 4 est une vue semblable à la figure 3 et montrant le clapet en position de fermeture. Sur les dessins, et plus particulièrement sur les figures 1 et 2, la référence numérique 10 désigne dans son ensemble une vanne de sécurité pour puits du type à clapet comportant un carter 12 et un passage central 14, un clapet obturateur 18 et un siège désigné dans son ensemble par la référence numérique 20. Lorsque le clapet 18 est appliqué contre le siège 20 de la vanne, la vanne de sécurité 10 est fermée et arrête l'écoulement dirigé vers le haut dans le passage 14, obturant ainsi tout tubage du puits auquel la vanne est reliée. Le clapet 18 est déplacé vers le bas jusque dans une position d'ouverture par un mouvement de des- cente d'un tube d'écoulement 22, et il est maintenu dans la position basse tant que le tube d'écoulement 22 se trouve dans la position basse. Lorsque le tube 22 est déplacé vers le haut, le clapet 18 peut se dé- placer vers le haut jusque contre le siège sous l'action d'un ressort 24 et sous l'action d'un fluide s'écoulant vers le haut au travers du passage 14. Le tube d'écoule- ment 22 est commandé par des moyens classiques. Bien que la présente invention puisse être utilisée dans différents types de vannes de sécurité pour puits actionnées par clapets, on se référera au brevet US n 4 161 219 pour une description plus com- plète de la structure et du fonctionnement d'un type approprié de vanne de sécurité pour puits. Les sièges de l'art antérieur comprennent généralement un siège métallique et un joint en matière élastomère. Mais à cause des conditions rencontrées dans l'environnement, comme la température, la pression, des fluides corrosifs, du sable et des années de ser- vice, le siège, et en particulier le joint élastique, ne sont pas capables de résister dans de telles condi- tions et de maintenir l'étanchéité nécessaire sous des pressions élevées, par exemple jusqu'à 1,4 x 108 Pa. La présente invention consiste à prévoir un siège particulier pour coopérer avec le clapet de vanne 18, ce siège étant formé d'un double siège métallique comprenant un siège annulaire métallique rigide et également un joint métallique annulaire flexible. Ainsi, il est prévu ici un siège annulaire métallique rigide 30 qui est dirigé vers le bas autour du passage 14 pour coopérer avec le clapet 18. Le car- ter comporte également un évidement annulaire 32 disposé sur le côté extérieur du siège métallique massif 30 et il est pourvu d'une ouverture débouchant vers le bas dans une zone adjacente au siège rigide 30. Un second siège ou joint métallique flexible est disposé dans l'évidement 32 et comprend une base 34 et une lèvre élastique d'étanchéité 36 reliée à la base 34. La base 34 peut être fixée dans l'évidement 32 par tout moyen approprié, comme par plusieurs boulons 37. Initialement, lorsque le clapet 18 se trouve en posi- tion d'ouverture, l'extrémité inférieure de la lèvre flexible 36 saille de l'évidement et vers le bas, au- delà du siège rigide 30, de façon à entrer en contact avec le clapet 18 avant que celui-ci ne contacte le siège rigide 30 lors de sa fermeture. Comme le montre mieux la figure 3, lorsque le clapet se trouve en position d'ouverture, le siège rigide et la lèvre d'étanchéité sont tous deux dirigés vers le bas selon un certain angle, et l'angle d'orien- tation vers le bas de la lèvre d'étanchéité est de préférence supérieur à l'angle d'orientation vers le bas du siège rigide. Seulement à titre d'exemple, le siège rigide annulaire 30 est dirigé vers le bas selon un angle d'environ 15 par rapport à un plan perpendi- culaire à l'axe longitudinal du carter 12, tandis que la face annulaire de l'extrémité inférieure de la lèvre d'étanchéité est dirigée vers le bas selon un angle d'environ 23 . En conséquence, lorsque le clapet 18 est déplacé vers le haut, il entre en contact avec la lèvre flexible 36 d'abord selon un contact linéaire avant d'entrer en contact avec le siège rigide 30 et, lorsqu'une pression régnant dans le puits est exercée sur le côté inférieur du clapet 18 en augmentant la pression d'application de ce clapet 18 contre les sièges 30 et 36, la lèvre flexible 36 est infléchie vers le haut en augmentant la force d'étanchéité et la surface d'étanchéité de la lèvre flexible 36. De préférence, la lèvre élastique d'étanchéité a une section droite dans l'ensemble en forme de V, comportant une première branche 38 et une seconde branche 40. Une extrémité de la branche 38 est reliée à la base 34. Egalement, il est prévu une paroi annu- laire 42 placée entre l'évidement 32 et le siège rigide 30. dirigée vers le bas et en direction du siège rigide 30. En conséquence la branche 38, lors de la fermeture du clapet 18, vient s'appliquer de façon étanche contre la paroi annulaire 42. Les différentes surfaces d'étanchéité sont de préférence des surfaces métalliques polies, en parti- culier le siège rigide 30, la surface coopérante d'étan- chéité 31 prévue sur le clapet 18, la paroi annulaire 42, la branche 38 et l'extrémité inférieure de la lèvre flexible 36. En outre, les surfaces d'étanchéité peuvent être améliorées au moyen d'un revêtement mou approprié, comme de l'or, de façon à créer une surface d'étanchéité plus molle et plus uniforme, de ce fait plus efficace. En fonctionnement, lorsque le tube d'écoulement 22 se déplace vers le haut, le clapet 18 est déplacé jusque dans la position de fermeture sous l'action du ressort 24, afin d'obturer le passage 14 et d'arrêter un mouvement ascendant d'un fluide du puits s'écoulant au travers de la vanne de sécurité 10. Le clapet 18 entre d'abord en contact avec le bord extérieur 44 de la branche 40 de la lèvre d'étanchéité 36, puisque celleci est placée en-dessous du siège rigide 30 et qu'elle a initialement un angle d'orientation vers le bas qui est supérieur à l'angle du siège 30. Lors- qu'une pression du puits est appliquée au côté inférieur 19 du clapet de vanne 18, la branche 40 est infléchie vers le haut en augmentant la force d'étanchéité entre cette lèvre 40 et la surface 31 du clapet 18. En outre, la branche 38 de la lèvre d'étanchéité 36 est poussée vers l'intérieur contre la paroi annulaire 42 de façon à établir une étanchéité entre elles. Ensuite le clapet 18 s'appuie sur le siège rigide 30 afin d'empêcher une sollicitation excessive de la lèvre flexible d'étan- chéité 36, et également de former un support pour le côté intérieur de la première branche 38. En conséquence, les joints métal-métal surabondants 30 et 36 établissent une étanchéité pour hautes températures et hautes pres- sions qui peut résister dans les conditions rencontrées dans l'environnement de façon à établir une longue durée de service. 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. REVENDICATIONS 1. - Vanne de sécurité pour puits servant à commander un écoulement de fluide dans un conduit de puits, comportant un carter pourvu d'un passage central dans lequel un clapet obturateur en métal se déplace entre des positions d'ouverture et de ferme- ture, caractérisée en ce qu'il est prévu un siège coo- pérant avec le clapet obturateur de la vanne, et com- prenant: - un siège annulaire métallique rigide (30) dirigé vers le bas autour du passage (14) pour coopérer avec le clapet, ledit carter (12) comportant un évide- ment annulaire (32) placé sur le côté extérieur du siège métallique rigide (30), ledit évidement (32) comportant une ouverture dirigée vers le bas dans une zone adjacente au siège rigide (30), et - un joint métallique flexible (34, 36) placé dans l'évidement (32), ledit joint flexible comportant une base (34) fixée dans l'évidement (32) et une lèvre élastique d'étanchéité (36) reliée à ladite base, l'ex- trémité de la lèvre (36) saillant initialement dudit évidement et s'étendant vers le bas au-delà du siège rigide pour entrer en contact avec le clapet (18) avant que celui-ci ne vienne toucher le siège rigide (30) lors de sa fermeture. 2. - Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le siège rigide (30) et la lèvre d'étanchéité (36) sont dirigés vers le bas selon un certain angle, et en ce que l'angle d'orientation vers le bas de la lèvre d'étanchéité (36) est plus grand que l'angle d'orientation vers le bas du siège rigide (30). 3. - Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que la lèvre élastique d'étanchéité (36) a une section droite dans l'ensemble en forme de V, une extrémité de l'une des branches (38) du V étant reliée à la base (34), de façon que cette bran- che reliée à la base vienne s'appliquer de façon étanche contre le côté (42) de l'évidement lorsque le clapet (18) est fermé. 4. - Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce qu. 'elle comprend une paroi annulaire (42) placée entre le siège rigide (30) et l'évidement (32), dirigée vers le bas et vers l'intérieur en direction du siège rigide (30) pour créer une surface contre laquelle la lèvre (36) s'applique de façon étanche lors d'une compression par le clapet (18). 5. - Vanne de sécurité pour puits servant à commander un écoulement de fluide dans un conduit de puits, comportant un carter pourvu d'un passage dans lequel un clapet obturateur en métal se déplace entre des positions d'ouverture et de fermeture, caractérisée en ce qu'il est prévu un siège coopérant avec le clapet obturateur de la vanne et comprenant: - un siège annulaire rigide en métal (30) dirigé vers le bas autour du passage (14) pour coopérer avec le clapet (18), ledit carter (12) comportant un évidement annulaire (32) placé sur le côté extérieur du siège métallique rigide (30), ledit évidement (32) comportant une ouverture dirigée vers le bas dans une zone adjacente au siège rigide (30), - un joint métallique flexible (34, 36) placé dans l'évidement (32), ledit joint flexible comportant une base (34) fixée dans l'évidement (32) et une lèvre élastique d'étanchéité (36) qui a une section droite dans l'ensemble en forme de V, une extrémité d'une des branches (38) du V étant reliée à la base (34), tandis que l'autre branche (40) s'étend initialement- hors dudit évidement et vers le bas au-delà dudit siège rigide (30) pour entrer en contact avec le clapet (18) avant que celui-ci ne s'applique contre le siège rigide (30) lors de sa fermeture, ledit siège rigide (30) et ladite lèvre d'étanchéité (36) étant dirigés vers le bas selon un certain angle, et l'angle d'orientation vers le bas de la lèvre d'étanchéité (36) étant plus grand que l'angle d'orientation vers le bas du siège rigide (30). 6. - Vanne de sécurité selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend une paroi annulaire (42) placée entre le siège rigide (30) et l'évidement (32), cette paroi étant dirigée vers le bas et vers l'intérieur en direction du siège rigide (30) pour créer une surface contre laquelle la pre- mière branche (32) de la lèvre (36) s'applique de façon étanche lors d'une compression par le clapet (18).