Brevet FR2599458A1 — publié le 19871204

La présente invention concerne une vanne de sécurité pour dispositif immergé, notamment pour colonne montante ou descendante équipant un puits sous-marin. On connait déjà des vannes de sécurité pour colonne équipant un puits sous-marin, ces vannes étant adaptées à protéger La colonne montante contre le risque d'écrasement, par La pression hydrostatique lorsque La pression régnant dans L'espace interne du tube central de cette colonne devient nettement plus faible que celle de L'eau environnant la coLonne. De telles vannes sont en position fermée lorsque le tube central est dans l'air, ou Lorsqu'iL est pLein d'eau ou de boue, et en position ouverte permettant L'entrée de L'eau de mer dans le tube, lorsque la pression interne du tube centraL baisse brusquement en raison d'une perte soudaine de boue, dans le cas d'une colonne de forage. La surpression dans la colonne est généralement due au fait que la densité du fluide contenu dans la colonne est supérieure à celle du mi lieu environnant à la colonne et/ou au fait que la colonne contient du fluide à un niveau supérieur à celui-ci. Différents modèles de vannes de sécurité sont actuellement proposés, notamment par Les sociétés américaines Regan (Hughes Offshore), Vetco et Cameron. Ces vannes comportent généralement une chemise pouvant coulisser le long du. cylindre central en obturant ou découvrant des ouvertures de ce cylindre. Ce coulissement est automatiquement commandé par la différence de pression entre L'intérieur et L'extérieur du tube, mais peut etre aussi piloté depuis La surface, par télécommande hydraulique. De telles vannes, selon l'art antérieur, ont notamment pour inconvénient le risque de coincement ou blocage de la chemise coulissante, en particulier par Les déblais transportés par la bouede forage, ce qui oblige à tester fréquemment leur bon fonctionnement par télécommande depuis la surface. La présente invention a pour objet de supprimer cet inconvénient, en fournissant une vanne ou clapet de sécurité ne comportant pas de chemise coulissante et dont le fonctionnement est très sûr. En effet, le dispositif selon la présente invention ne comporte pas d'élément de guidage mécanique. Ces objectifs sont atteints, selon l'invention, avec une vanne de sécurité (anti-écrasement) pour dispositif immergé, comportant un corps de vanne ayant au moins un orifice d'entrée d'eau muni de moyens d'obturation adaptés à découvrir automatiquement ledit orifice, de manière à laisser pénétrer l'eau environnante dans le dispositif immergé, lorsque la pression à l'intérieur du dispositif descend au-dessous d'un seuil prédéterminé, relativement à la pression hydrostatique, ledit seuil pouvant être nul. Cette vanne est notamment caractérisée en ce que lesdits moyens d'obturation comportent au moins une première membrane coopérant avec une deuxième membrane entourant ledit orifice, cette première membrane étant fixée à une portion seulement de la périphérie de ladite deuxième membrane, lesdites première et deuxième membranes ayant une position d'obturation dans laquelle la pression régnant à L'intérieur du dispositif applique ces membranes entre elles de façon étanche et une position d'ouverture, dans laquelle ladite première membrane est écartée de ladite deuxième membrane laissant ainsi l'eau environnante pénétrer à l'intérieur du dispositif, en s'écoulant entre ladite première membrane et ladite deuxième membrane. Selon un mode avantageux de réalisation, la première membrane coopère avec une plaque d'appui ou de renforcement qui, dans ladite position d'ouverture, peut s'appliquer contre des butées solidaires du corps de vanne. La plaque d'appui de la première membrane pourra être éventuellement noyée dans cette membrane. L'invention concerne également un organe de sécurité pour colonne montante ou descendante, cet organe comportant un corps tubulaire destiné à raccorder deux tronçons de la colonne, ledit corps tubulaire comportant un orifice latéral ou, de préférence, une pluralité d'orifices latéraux équipées de vannes ou clapets de sécurité telles que définies ci-dessus et réparties sur au moins un niveau à la périphérie dudit organe de sécurité. Selon un mode particulier de réalisation, Le corps tubulaire comporte une double paroi en étant muni d'orifices d'écoulement d'eau vers l'intérieur de la colonne, une paroi interne étant disposée à l'intérieur et à une certaine distance de la paroi externe du corps tubulaire, ladite paroi interne formant appui pour ladite première membrane dans sa position d'ouverture. La présente invention est particulièrement bien adaptée pour être appliquée aux colonnes de forage. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention est ilLustre par les figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement une colonne équipée d'un organe de sécurité selon l'invention, - la figure 2 montre une vue de cet organe à plus grande échelle, en position d'ouverture des vannes ou clapets, - la figure 2A est une vue de cet organe en section droite, - la figure 3 montre une vanne de cette organe en position de fermeture, - la figure 4 représente cette vanne en position d'ouverture, laissant entrer d'eau environnante à L'intérieur de la colonne, et - la figure 5 illustre un détail de réalisation de la première membrane. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une colonne 1 pouvant permettre le forage, à partir d'un puits immergé, cette colonne reliant une tête de puits subaquatique 2 à une installation de surface, telle que, par exemple, un navire 3 maintenu en position par tout moyen d'ancrage approprié, statique ou dynamique (amarres ou propulseurs). La colonne est équipée d'un organe de sécurité 4 selon l'invention qui raccorde entre eux deux tronçons la et lb de la colonne (Fig. 2). Cet organe est adapté à faire pénétrer de l'eau à l'intérieur de la colonne pour la protéger contre Le risque d'écrasement par la pression hydrostatique, lorsqu'il se produit une dépression excessive à l'intérieur du tube central de la colonne. Ainsi que le montre la figure 2, la colonne 1 comporte, de manière classique, un tube central 5 entouré de lignes périphériques ou satellites 6, 7 reliant le navire 1 au puits immergé. Bien entendu, la colonne peut comporter plusieurs organes de sécurité fixés à des hauteurs différentes. L'organe 4 selon l'invention comporte un tube interne 8 ou corps tubulaire qui assure la continuité du tube central 5. La continuité des lignes satellites 6, 7 n'est pas interrompue par la présence de l'organe de sécurité 4, ces lignes pouvant d'ailleurs etre fixées à La périphérie de cet organe. Dans l'exemple de réalisation de L'invention illustré par les figures, l'organe de sécurité 4 comporte une pluralité d'orifices d'entrée d'eau 9 répartis à la périphérie de cet organe et munis de moyens d'obturation, de manière à constituer une pluralité de vannes ou clapets de sécurité. Ces orifices périphériques sont ménagés dans une paroi tubulaire externe 10 de L'organe de sécurité 4. Cet organe comporte ainsi une double paroi, Le tube 8 raccordé au tube central 5 de la colonne, constituant une paroi interne disposé à l'intérieur et à une certaine distance de la paroi externe 10 de L'organe 4. Le tube interne 8 comporte une pluralité d'orifices ou passages internes 11 permettant L'écoulement de L'eau environnante vers L'intérieur du tube central 5 de la colonne dans La position d'ouverture des vannes de sécurité. Chaque organe d'obturation d'un orifice 9 comporte au moins une première membrane 12. Cette membrane coopère avec une deuxième membrane 13 formant siège d'étanchéité autour d'un orifice, au moins L'une de ces membranes, et de préférence les deux, étant souple et élastique. La première membrane 12 est fixée à une portion seulement de la périphérie de la deuxième membrane 13, par exemple de la manière indiquée par la figure 3 où la première membrane 12 et la deuxième membrane 13 ont une forme sensiblement rectangulaire et sont assemblées entre elles suivant au moins un bord du rectangle, par exemple selon deux bords opposés. Plus généralement, la première et la deuxième membranes 12 et 13 pourront être assemblées entre elles suivant une partie seulement de leur périphérie. Bien entendu, la forme rectangulaire des membranes n'est nullement limitative. D'ailleurs, celles-ci pourront avoir une forme circulaire ou tout autre forme. Chacun des groupes constitués d'une première et d'une deuxième membranes 12 et 13 a une position d'obturation d'un orifice 9 (Fig. 3) dans laquelle la pression régnant à L'intérieur du tube central 5 de La colonne applique l'une contre l'autre les première et deuxième membranes de façon étanche, formant en quelque sorte un siège d'étanchéité autour de l'orifice 9. Cet orifice 9 pourra éventuellement être muni d'un croisillon 14 empêchant la première membrane d'être repoussée à L'extérieur de l'orifice par la pression interne. La première membrane 12 a également une position d'ouverture (Figs 2, 2A et 4), dans laquelle la première membrane est écartée de la deuxième membrane 13, laissant ainsi l'eau environnante pénétrer à l'intérieur du tube 8, en s'écoulant entre la première qt la deuxième membrane 12 et 13, puis à travers les orifices ou passages 11 (trajet indiqué en trait mixte sur la figure 4). Une plaque 15 de renforcement peut renforcer la première membrane 12 en étant éventuellement noyée dans celle-ci. Dans la position d'ouverture illustrée par la figure 4, cette deuxième membrane peut s'appliquer contre des butées 16 et 17 solidaires du tube 8. On ne sortira pas du cadre de la présente invention en utilisant une butée ayant sensiblement la même dimension et la même forme que la plaque de renforcement 15. Selon un mode préféré de la présente invention, la plaque de renforcement, lorsqu'elle est nécessaire, aura juste la dimension voulue pour empecher la deuxième membrane de passer à travers l'orifice 9. Ainsi, la première membrane conservera sa souplesse initiale sur toute sa surface à l'exception de la zone correspondant à la présence de La plaque 15. La qualité de la souplesse des première et deuxième membranes est particulièrement importante, car c'est elle qui va assurer la qualité de l'étanchéité de la vanne de sécurité. La référence 15A désigne la limite de plaque de renfort 15 qui est noyée dans la première membrane 12. La plaque de renfort 15 pourra être réalisée en titane qui est un métal possédant de bonnes qualités mécaniques tout en ayant un faible poids spécifique, évitant ainsi de déformer la membrane. On ne sortira pas du cadre de la présente invention en réalisant cette plaque en d'autres matériaux, notamment en alliage d'aluminium ou en matériau composite, par exemple à base de fibre de carbone. Enfin, ce sont Les qualités de souplesse des ou de la membrane qui vont permettre de maintenir l'étanchéité malgré les corps étrangers qui pourraient pénétrer dans la vanne selon l'invention. En effet, dans le cas de deux membranes, la souplesse de ces membranes va faire que celles-ci seront en contact l'une avec L'autre tout en entourant ces corps étrangers. Au moins l'une de ces membranes pourra être avantageusement réalisée en feuilles d'élastomère ou en tissus enduit d'élastomère. Dans ce cas, les deux membranes pourront être assemblées par collage ou par vulcanisation. La figure 3 ou 4 montre le détail d'un mode de fixation possible de la deuxième membrane 13 sur l'orifice 9. Celui-ci comporte une bride 18 qui est fixée sur une contre-bride 19 solidaire du cylindre extérieur 10. Sur les figures 3 et 4, les brides et contre-brides sont supposées avoir des formes de revolutin. La bride 18 possède une partie cylindrique 20 ayant un diamètre extérieur inférieur au diamètre interne de la contre-bride 19. Par ailleurs, cette partie cylindrique 20 a une hauteur suffisante pour pénétrer dans la paroi externe 10. La deuxième membrane 13 possède une partie cylindrique 21 d'axe sensiblement perpendiculaire au plan de cette deuxième membrane elle-même. Cette partie cylindrique de la deuxième membrane est fixée sur la partie cylindrique 20 de la bride 18. Cette fixation peut se faire par emmanchement, collage et cerclage, par exemple par une bague 22. Dans l'exemple représenté, le croisillon 14 est fixé à l'intérieur de la partie cylindrique 20 de la bride 18. Le mode de réalisation représenté aux figures 3 et 4 permet par démontage de la bride 18 de sortir l'ensemble de la vanne comportant les deux membranes 12 et 13 en les faisant passer par déformation à travers la contre-bride 19. Bien entendu, cette contre-bride 19 possède un diamètre intérieur suffisant pour permettre le passage de la deuxième membrane lorsque celle-ci comporte une plaque de renfort. D'ailleurs, celle-ci pourra avoir un diamètre sensiblement égal ou Légèrement supérieur au diamètre intérieur de la partie cylindrique 20 de la bride 18. Des modifications pourront être apportées au dispositif ci-dessus sans que l'on sorte du cadre de l'invention. Par exemple, les vannes pourront comporter des systèmes élastiques tels des ressorts qui permettront d'appliquer Les première et deuxième membranes l'une contre l'autre de manière à n'autoriser l'ouverture de la vanne qu'à partir d'un certain seuil de différence entre la pression qui règne à L'intérieur de la colonne et celle qui règne dans le milieu environnant. Les orifices 11 ainsi que Les vannes pourront être placés à des hauteurs différentes lorsqu'un même élément de la colonne comporte plusieurs orifices 11 et plusieurs vannes. La paroi interne 8 pourra être remplacée par un dispositif limitant la déformation des première et deuxième membranes par exemple en utilisant un grillage ou une plaque fixée à L'intérieur de la paroi externe 10 et à une certaine distance de celle-ci. On ne sortira pas du cadre de La présente invention si la deuxième membrane était remplacée par une plaque jouant le rôle de siège d'étanchéité. REVENDICATIONS 1. - Vanne de sécurité pour dispositif immergé, comportant un corps de vanne ayant au moins un orifice d'entrée d'eau muni de moyens d'obturation adaptés à découvrir automatiquement ledit orifice, de manière à laisser pénétrer l'eau environnante dans le dispositif immergé, lorsque la pression à l'intérieur du dispositif descend au-dessous d'un seuil prédéterminé, relativement à la pression hydrostatique, ledit seuil pouvant être nul, caractérisée en ce que lesdits moyens d'obturation comportent au moins une première membrane (12) coopérant avec une deuxième membrane (13) entourant ledit orifice (9), cette première membrane (12) étant fixé à une portion seulement de ladite deuxième membrane (13), lesdites première et deuxième membrane (12) ayant une position d'obturation dans laquelle la pression régnant à l'intérieur du dispositif applique ces membranes entre elles de façon étanche et une position d'ouverture, dans laquelle ladite première membrane (12) est écartée de ladite deuxième membrane, laissant ainsi l'eau environnante pénétrer à l'intérieur du dispositif, en s'écoulant entre laaite première membrane (12) et ladite deuxième membrane (13). 2. - Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première membrane (12) coopere avec une plaque d'appui ou de renforcement (15) qui, dans la position de fermeture, s'applique contre Ledit orifice. 3. - Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite première membrane (12) coopère avec une plaque d'appui ou de renforcement (15) qui, dans ladite position d'ouverture s'applique contre des butées solidaires du corps de vanne. 4. - Vanne de sécurité selon l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisée en ce que Ladite plaque d'appui ou de renforcement (15) est noyée à l'intérieur de ladite première membrane (12). 5. - Vanne de sécurité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que L'une au moins des membranes est réalisée en matériau souple et élastique. 6. - Organe de sécurité pour colonne montante ou descendante équipant un puits immergé, cet organe comportant un corps tubulaire (82 adapté à se raccorder à ladite colonne (1) et ayant au moins un orifice latéral muni de moyens d'obturation adaptés à découvrir automatiquement Ledit orifice, de manière à laisser pénétrer L'eau environnante dans la colonne (1) immergée lorsque la pression à l'intérieur de la colonne (1) descend au-dessous d'un seuil prédéterminé, relativement à la pression hydrostatique, ledit seuil pouvant être nul, caractérisée en ce que lesdits moyens d'obturation comportent au moins une première membrane (12) coooérant avec une deuxième membrane (13) entourant ledit orifice (9), cette première membrane (12) étant fixé à une portion seulement de ladite deuxième membrane (13), lesdites première et deuxième membrane (12) ayant une position d'obturation dans Laquelle la pression régnant à l'intérieur du dispositif applique ces membranes entre elles de façon étanche et une position d'ouverture, dans laquelle ladite première membrane (12) est écartée de ladite deuxième membrane,- laissant ainsi l'eau environnante pénétrer à l'intérieur du dispositif, en s'écoulant entre ladite première membrane (12) et ladite deuxième membrane (13). 7. - Organe de sécurité selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'orifices d'entrée d'eau (9) munis de moyens d'obturation répartis sur au moins un niveau à la périphérie dudit organe de sécurité. 8. - Organe de sécurité selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ladite première membrane (12) coopère avec une plaque d'appui ou de renforcement qui, dans la position de fermeture, s'applique contre ledit orifice. 9. - Organe de sécurité selon L'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que ladite première membrane (12) coopère avec une plaque d'appui ou de renforcement (15) qui, dans ladite position d'ouverture, s'applique contre des butées (16, 17) solidaires dudit corps tubulaire. 10. - Organe de sécurité selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que ladite plaque d'appui ou de renforcement (15) est noyée à L'intérieur de Ladite membrane (12). 11. - Organe de sécurité selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le corps tubulaire comporte une double paroi, en étant muni d'orifices (11) d'écoulement d'eau vers l'intérieur de La colonne (1), une paroi interne (8) étant disposée à L'intérieur et à une certaine distance de la paroi externe (10) du corps tubulaire, Ladite paroi interne (8) formant appui pour ladite membrane (12) dans ladite position d'ouverture. 12. - Organe de sécurité selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que l'une au moins des membranes est réalisée en matériau souple et élastique.