Brevet FR2596804A1 — publié le 19871009

2596804- La présente invention se rapporte à une vanne de sécurité de fond de puits de pétrole pompé contrôlant l'entrée d'huile dans un tube de production munie d'une pompe à clapets. Pour maintenir en sécurité un puits productif, on installe générale5 ment une vanne de sécurité contrôlée depuis la surface qui, pilotée hydrauliquement au moyen d'un tube connecté en surface au panneau de contrôle, ferme en cas de nécessité automatiquement le tube de production. Dans le cas de puits pompés, il est apparu intéressant de déclencher 10 la fermeture de la vanne de façon entièrement automatique. En effet, à la suite d'une interruption de pompage, la pression de fond de puits dans l'enceinte du cuvelage croit et devient supérieure à la pression régnant dans le tube de production en aval de la pompe. Dans ce cas, la fermeture de la vanne contrôlant l'entrée du tube de production s'im15 pose pour éviter la remontée du pétrole par l'enceinte du cuvelage. L'idée qui est à la base de la présente invention consiste à assurer de façon automatique et autonome la fermeture et l'ouverture de la vanne en fonction de la variation de pressions régnant dans le tube de production et dans le fond du puits dans l'enceinte du cuvelage. L'invention a pour objet une telle vanne de sécurité pour puits pompés qui est caractérisée en ce qu'un corps de vanne creux est traversé de part et d'autre par un premier canal à l'extrémité supérieure duquel débouche l'extrémité inférieure du tube de production, ledit canal présentant sur son parcours une cavité du corps de vanne, dans laquelle débouche 25 l'extrémité inférieure de la partie supérieure du canal et qui est en communication avec l'extérieur du corps de vanne au moyen d'un orifice pratiqué dans le corps de vanne, ladite extrémité inférieure de la partie supérieure du canal formant un siège de vanne coopérant avec un clapet pivotant autour de son axe monté dans un support de clapet, ledit corps de vanne présente un deuxième canal fermé à ses deux extrémités et interrompu sur son parcours par ladite cavité du corps-de vanne, ledit deuxième canal étant composé d'un tronçon inférieur for5 mant une chambre d'admission siège inférieur de piston-et un cylindre communicant avec ladite chambre, dans laquelle coulisse un piston sur lequel prend appui l'extrémité inférieure d'une tige de poussée coulissant également dans ledit cylindre, la partie supérieure de ladite tige étant engagée dans le tronçon supérieur dudit deuxième canal, dans lequel 10 est logé un ressort de rappel sur lequel prend appui l'extrémité supérieure de ladite tige de rappel, laquelle présente dans sa partie médiane logée dans la cavité du corps de vanne une encoche servant de point d'appui au levier solidaire du clapet, de façon à ce que le coulissement de la tige de poussée puisse opérer la fermeture ou l'ouverture du clapet 15 pivotant autour de son axe d'articulation, un conduit reliant la chambre d'admission à la partie du tube de production placée en aval de la pompe. De préférence, une partie du conduit reliant la chambre d'admission à la partie du tube de production placée en aval de la pompe est logée à 20 l'intérieur du corps de vanne, la traverse axialement et débouche au sommet dudit corps, une conduite extérieure au tube de production reliant l'orifice o débouche ledit conduit à la partie du tube de production en aval de la pompe. Selon un mode de réalisation avantageux, un ressort de rappel sollicite 25 en fermeture le clapet de la vanne. En effet, lorsque, dans les conditions de pompage satisfaisantes, la pression dans le tube de production en aval de la pompe reste supérieure à celle dans l'enceinte de cuvelage, la tige de poussée manoeuvrant le clapet de la vanne reste en position haute et le clapet reste ouvert, à la suite de la pression dans le tube de production transmise par l'inter- médiaire du piston à la tige de poussée au moyen du conduit reliant le tube de production au cylindre dans lequel coulisse le piston commandant la tige de poussée. Lorsque, à la suite de l'interruption du pompage, la pression dans le tube de production devient inférieure à la pression dans l'enceinte de cuvelage, la tige de poussée rappelée par le ressort descend en enerainant le clapet de la vanne vers la fermeture. Lorsque le pompage est repris, la pression dans le tube de production dépasse celle de l'enceinte de cuvelage, le piston remonte et provoque 10 l'ouverture du clapet de la vanne. Toutefois, la pression en amont du clapet qui est celle de l'enceinte de cuvelage reste encore trop élevée par rapport à celle régnant en aval du clapet (qui est celle du tube de production) pour que la manoeuvre d'ouverture du clapet puisse s'accomplir sans la nécessité d'exercer des 15 forces trop importantes sur son levier, ce qui pourrait endommager les pièces participant à la manoeuvre. Pour l'éviter, on prévoit selon l'invention un laps de temps très court au cours de la remontée de la tige de poussée, dans lequel les pressions sont égalisées avant que la tige de poussée commence à solliciter en 20 ouverture le clapet. L'encoche dont est pourvue la tige de poussée présente deux faces de butée espacées entre elles et commandant le mouvement pivotant du clapet, de façon à ce que, lorsqu'en position de fermeture du clapet, le clapet sollicité par son ressort de rappel est appliqué contre son siège, la remontée de la tige de poussée opère avec retardement l'ouverture du clapet. A cette fin, un conduit transversal relie le troncon supérieur du deuxième canal logeant le ressort de rappel de la tige de poussée avec lepremiercanal. Dans ce conduit est logé une soupape d'égalisation de pressions en amont et en aval du clapet, ladite soupape étant solidaire d'une tige de manoeuvre coulissante munie d'un ressort de rappel et portant une noix, ladite soupape étant placéecontre un siège en communication avec la partie supérieure du premier canal en aval du clapet de vanne. La tige de poussée présente sur sa partie engagée dans le tronçon supérieur du deuxième canal une découpe à face plane présentant une rampe inclinée destinée à coopérer avec ladite noix solidaire de la tige de la soupape pour écarter la soupape de son siège lors de la remontée de la tige de poussée. La découpe présente sur la tige de poussée dans sa partie engagée dans le tronçon supérieur du deuxième canal est conformée en came coopérant avec la noix de la tige de manoeuvre de la soupape, la rampe inclinée de 10 la tige de poussée destinée à provoquer l'écartement de la soupape de son siège étant suivie, dans le sens de la remontée de la tige de poussée, par un court méplat, puis par une rampe inclinée dans le sens contraire de la première rampe, de façon à ce que la noix de la tige coopérant avec la came opère, dans un premier temps, l'ouverture de la soupape, 15 puis sa fermeture après un court laps de temps suffisant pour provoquer l'égalisation des pressions en amont et en aval du clapet de la vanne. D'autres particularités de l'invention apparaitront à la lumière de la description d'un mode de réalisation présenté à titre d'exemple et illustré par les dessins, dont les figures la et lb présentent schématiquement le principe de la vanne selon l'invention, respectivement, en position de fermeture et en position d'ouverture, la figure 2 présente une coupe longitudinale du corps de vanne selon A-A de la figure 4, la figure 3 présente une coupe longitudinale selon B-B de la figure 4, la figure 4 présente une coupe transversale selon C-C de la figure 2, la figure 5 présente une coupe transversale selon D-D de la figure 2 et la figure 6 présente la tige de poussée en perspective. (3) A l'intérieur du cuvelage dans le fond du puits est placé un tube de pro30 duction 1 dans lequel est installée une pompe classique à clapets 2. 2596804- Un corps de vanne 10 composé d'un bloc supérieur 10a et d'un bloc inférieur 10b est fermé aux extrémités par un sabot supérieur 31 et un sabot inférieur 32. Un canal 20 traverse de part et d'autre le corps de vanne 10 et fait jonction à l'endroit o le sabot inférieur 31 est muni d'une ouverture avec l'extrémité inférieure du tube de production 1. Le canal 20 est composé d'un tronçon supérieur 20a dont l'extrémité inférieure munied'un support de clapet 26 débouche dans une cavité 21 du corps de vanne et d'un tronçon inférieur 20b débouchant par une ouverture 10 dans le sabot inférieur 32 à l'extérieur du corps de vanne. La cavité 21 communique aussi avec l'extérieur du corps de vanne au moyen d'un orifice 22 ménagé dans la paroi de ce dernier. L'extrémité inférieure du tronçon supérieur 20a du canal forme un siège 15 de clapet 23, avec son joint 28, coopérant avec un clapet 24 pivotant autour de son axe d'articulation 25 monté dans le support de clapet 26. Le clapet 24 est solidaire d'un levier de manoeuvre 27 du clapet. Un ressort de rappel 29 sollicite en fermeture le clapet. Le corps de vanne présente un deuxième canal 30 fermé à ses deux extrémités par des bouchons 38 et 39 et qui est interrompu dans sa partie médiane par la cavité 21 du corps de vanne. Ce canal comprend un tronçon inférieur 30b au bas duquel est logée une chambre d'admission 33 formant le siège d'un piston 34 qui coulisse dans un cylindre se trouvant en prolongement et en communication avec ladite chambre d'admission. Dans la chambre 33 débouche un orifice 63 d'un conduit 61 dont il sera question plus loin. Sur le piston 34 prend appui l'extrémité inférieure d'une tige de poussée dont la partie inférieure coulisse également dans le cylindre du piston 34, tandis que sa partie supérieure est engagée dans le tronçon supérieur 30a du canal 30. Dans le canal 30 est logé un ressort de rappel de la tige de poussée 50 muni d'un guide 37 et sur lequel prend appui l'extrémité supérieure 50a de la tige de poussée. La tige de poussée 50 est munie dans sa partie médiane d'une encoche 51 servant d'appui au levier 27 du clapet 24, de façon à ce que le coulissement de la tige de poussée puisse opérer la fermeture et l'ouverture du clapet 24. Une conduite désignée par 60 sur la figure la se compose d'un conduit 61 qui traverse axialement le corps de vanne (figure 3), puis au moyen d'un coude 64 débouche par l'orifice 63 dans la chambre d'admission 33. Le conduit 61 débouche en 62 du corps de vanne et est relié au moyen d'une 10 conduite extérieure au corps de vanne avec l'espace au dessus de la pompe 2 dans le tube de production 1, transmettant ainsi la pression en aval de la pompe 2 à la chambre d'admission 33. L'encoche 51 de la tige de poussée 50 présente deux faces d'appui 52 et 53 qui sont des butées espacées et qui commandent le mouvement pivotant du 15 clapet de façon telle, que lorsqu'en position de fermeture le clapet sollicité par son ressort 29 est appliqué contre son siège 23, la remontée de la tige 50 opère avec retardement l'ouverture du clapet. Le tronçon supérieur 20a du canal 20 dont l'extrémité est munie du support de clapet 26 communique avec la cavité 21 du corps de vanne par l'inter20 médiaire d'un conduit transversal 69 reliant ledit canal 20 au tronçon supérieur 30a du deuxième canal 30. Dans ledit conduit transversal 69 est logée une soupape d'égalisation de pressions 70 en aval et en amont du clapet 24. La soupape 70 est placée sur son siège 74 pouvant faire communiquer la partie supérieure 20a du premier canal (en aval du 25 clapet) avec la cavité 21 qui se trouve en amont du clapet. Cette soupape est appliquée contre son siège au moyen d'un ressort de soupape 72 et est solidaire d'une tige de soupape coulissante 71 sur laquelle est montée une noix ou butée 73. La tige de poussée 50 présente sur sa partie engagée dans le tronçon 30 supérieur du deuxième canal 30 une découpe 57 à face plane ayant une rampe inclinée 54 destinée à coopérer avec la noix 73 solidaire de la tige 71 pour écarter la soupape 70 de son siège 74 lors de la remontée de la tige de poussée 50. La rampe inclinée 54 est suivie, dans le sens de la remontée de la tige, d'un court méplat 55, puits par une rampe 56 inclinée dans le sens contraire de la première rampe, de façon à ce que la noix 73 coopérant avec la came ainsi constituée opère, dans un premier temps, l'ouverture de la soupape, puis sa fermeture après un court laps de temps suffisant pour provoquer l'égalisation des pressions en amont et en aval du clapet de la vanne. Le fonctionnement de la vanne est le suivant. Lorsque en marche normale de la pompe 2, la pression en aval de la pompe est supérieure à celle de l'enceinte de cuvelage, la pression transmise par la conduite 60 est suffisante pour maintenir la tige de poussée 50 en position haute en comprimant le ressort de rappel 35 et la face d'appui 15 53 de la tige 50 maintient le clapet 24 ouvert contre la force du ressort 29. Lorsque le pompage est arrêté, la pression de l'enceinte de cuvelage en amont du clapet 24 croit et devient supérieure à la pression en aval de la pompe 2. Cette différence de pression se transmet au piston 34 qui par suite de l'action du ressort de rappel 35 descend, ainsi que la tige 50. Le clapet 24, entrainé par son levier 27 butant contre la face d'appui 52 de la tige de poussée, pivote et ferme le tube de production 1. Lorsque le pompage est repris, la pression en aval de la pompe 2 croit et cette différence de pression est transmise par le conduit 60 au pis25 ton qui commence sa remontée en entrainant la tige de poussée 50. En raison de l'espacement entre les faces d'appui 52 et 53, la tige de poussée, avant de buter sur la face d'appui 53, commence par repousser au moyen de sa rampe inclinée 54 la tige 71 de la soupape qui en dégageant la soupape 70 de son siège 74 contre l'action du ressort 72, ouvre le con- duit 69, ce qui permet l'égalisation des pressions en aval et en amont du clapet 24. Cette ouverture de la soupape est limitée au temps de passage de la noix 73 en regard du méplat court 55. Puis, la noix 73 rencontrant la rampe inclinée en sens inverse 56, la tige 71 coulisse en sens inverse et applique la soupape contre son siège. La tige de poussée continuant à remonter, l'extrémité du levier 27 rencontre la face d'appui 53 de l'encoche 51 de la tige et provoque l'ouverture du clapet 24. Cette manoeuvre du clapet peut ainsi être accomplie sans application 10 d'une force excessive, puisque les pressions en amont et en aval du clapet ont été égalisées préalablement. L'invention est susceptible de nombreuses variantes à la portée de l'homme de l'art, sans sortir pour autant du cadre de la présente invention. Y REVENDICATIONS. 1. Vanne de sécurité de fond pour puits de pétrole pompé contrôlant l'entrée d'huile dans le tube de production (1), dans lequel est placée une pompe à clapets(2), en fonction des pressions régnant dans le tube de production et dans le fond du puits (3) à l'extérieur du tube de production, caractérisée en ce qu'un corps de vanne creux (10) est traversé de part et d'autre parunpremiercanal (20) à l'extrémité duquel débouche l'extrémité inférieure du tube de production, ledit canal présentant sur son parcours une cavité (21) du corps de vanne, dans laquelle débouche l'extrémité inférieure de la partie supérieure (20a) 10 du canal et qui est en communication avec l'extérieur du corps de vanne au moyen d'un orifice (22) pratiqué dans le corps de vanne, ladite extrémité inférieure de la partie supérieure (20a) du canal formant un siège de vanne (23) coopérant avec un clapet (24) pivotant autour de son axe d'articulation (25) monté dans un support de clapet (26), 15 ledit clapet (24) étant solidaire d'un levier (27) de manoeuvre de clapet, ledit corps de vanne (10) présentant un deuxième canal (30) fermé à ses deux extrémités (31,32) et interrompu sur son parcours par ladite cavité (21) du corps de vanne, ledit deuxième canal (30) est composé d'un tronçon inférieur (30b) formant chambre d'admission siège 20 inférieur d'un piston (33) et un cylindre communicant avec ladite chambre (33), dans lequel coulisse le piston (34) sur lequel prend appui l'extrémité inférieure d'une tige de poussée (50) coulissant également dans ledit cylindre, la partie supérieure de ladite tige étant engagée dans le tronçon supérieur dudit deuxième canal (30a) dans lequel est logé un ressort de rappel (35) sur lequel prend appui l'extrémité supérieure (50a) de ladite tige de poussée, laquelle présente dans sa partie médiane logée dans la cavité du corps de vanne une encoche (51) servant de point d'appui au levier (27) solidaire du clapet (24), de façon à ce que le coulissement de la tige de poussée puisse opérer la fermeture ou l'ouverture du clapet (24) pivotant autour de son axe d'articulation (25), un conduit (60) reliant la chambre d'admission (33) à la partie du tube de production (1) en aval de la pompe (2). 2. Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une partie (61) du conduit (60) reliant la chambre d'admission (33) à la partie du tube de production en aval de la pompe est logée à l'intérieur du corps de vanne (10), la traverse axialement et débouche au sommet dudit corps, une conduite extérieure au tube de production reliant l'orifice (62) o débouche ledit conduit (61) à la partie du tube de production en aval de la pompe. 3. Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un ressort de rappel (29) sollicite en fermeture le clapet (24) de la vanne. 4. Vanne de sécurité selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'encoche (51) dont est pourvue la tige de poussée (50) présente deux faces (52,53) de butée espacées'entre elles et commandant le mouvement pivotant du clapet (24) de façon à ce que, lorsqu'en position de fermeture du clapet, le clapet sollicité par son ressort de 20 rappel (29) est appliqué contre son siège (23), la remontée de la tige de poussée (50) opère avec retardement l'ouverture du clapet. 5. Vanne de sécurité selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un conduit transversal (69) relie le tronçon. supérieur (30a) du deuxième canal (30) logeant le ressort de rappel (35) de la tige de 25 poussée (50) aveclepremiercanal (20) et dans ce conduit est logée une soupape (70) d'égalisation de pressions en amont et en aval du clapet (24) solidaire d'une tige coulissante (71) de manoeuvre munie d'un ressort de rappel (72) et portant une noix (73), ladite soupape étant placée contre un siège (74) en communication avec la partie supérieure 30 (20a) du premier canal en aval du clapet et en ce que la tige de poussée (50) présente sur sa partie engagée dans le troncon supérieur du deuxième canal (30) une découpe (57) à face plane présentant une rampe inclinée (54) destinée à coopérer avec la noix (73) solidaire de la tige de manoeuvre (71) de la soupape pour écarter la soupape (70) de son siège (74), lors de la remontée de la tige de poussée (50). 6. Vanne de sécurité selon la revendication 5, caractérisée en.ce que la découpe (57) présente sur la tige de poussée (50) dans sa partie engagée dans le tronçon supérieur du deuxième canal (30) est conformée en came coopérant avec la noix (73) de la tige de manoeuvre (71) 10 de soupape, la rampe inclinée (54) de la tige de poussée (50) destinée à provoquer l'écartement de la soupape (70) de son siège (74) étant suivie, dans le sens de la remontée de la tige de poussée, par un court méplat (55), puis par une rampe (56) inclinée dans le sens contraire de la première rampe, de façon à ce que la noix de tige (73) 15 coopérant avec la came opère, dans un premier temps, l'ouverture de la soupape (70), puis sa fermeture après un court laps de temps suffisant pour provoquer l'égalisation de pressions en amont et en aval du clapet de la vanne (24).