Brevet FR2602849A1 — publié le 19880219

VANNE DE SECURITE POUR PUITS PETROLIER L'invention concerne une vanne de sécurité destinée à être insérée dans un tube de production de puits pétrolier en vue d'en assurer l'ouverture ou la fermeture. Les vannes de sécurité pour puits pétroliers ont pour fonction de stopper automatiquement la production d'effluent si un incident survient en tête de puits ou en aval de celles-ci. Elles sont commandées hydrauliquement à l'ouverture depuis la surface et se ferment automatiquement au moyen d'un puissant ressort de rappel dès l'apparition d'une chute de p r e s s i o n h y d rau 1 i que, c o m m a n d-é e ou accidentelle. Ces vannes ont fait l'objet de nombreuses études de mise au point et de perfectionnement, et leur emploi s'est généralisé en particulier dans les puits éruptifs offshore. En partie basse, ces vannes comportent un organe mobile d'obturation qui est essentiellement de deux types soit un organe è clapet possédant un clapet d'obturation articulé latéralement sur un corps qui le porte, pour pouvoir pivoter entre une position latérale d'ouverture et une position de fermeture orthogonale à l'axe de la vanne, ledit clapet étant sollicité vers cette position de fermeture par des moyens élastiques, soit un organe è balle possédant une balle (encore désignée par "bille" ou "boulet"), de forme générale sphérique, percée d'un canal axial et mobile longitudinalement dans un corps pour pouvoir se déplacer avec une rotation d'un quart de tour autour de son centre, entre une position basse d'ouverture et une position haute de fermeture vers laquelle ladite balle est rappelée par des moyens élastiques. Les vannes à clapet présentent l'avantage d'être plus robustes et moins encombrantes que les vannes à balle. Toutefois, ces dernières présentent des avantages dans certaines circonstances ; en particulier lorsque le puits est soumis à des mesures (pression...), un cable est amené à traverser la vanne pour descendre les sondes : en cas d'urgence, seules les vannes à balle peuvent alors assurer la fermeture immédiate du puits grâce à leur faculté de sectionner le câble à la façon d'une guillotine lorsqu'elles se referment. Toutefois, actuellement, de par leur structure spécifique, très différente dans les deux cas, les vannes de puits pétroliers sont spécialisées et l'utilisateur ne peut à la fois profiter des avantages des deux types d'obturation, si ce n'est en disposant de jeux de vannes des deux catégories et en opérant une permutation de la vanne complète, ce qui accroit considérablement le coût des matériels nécessaires. De plus, au niveau de la fabrication, chaque catégorie de vanne fait l'objet d'une étude et d'une fabrication spécifiques, ce qui constitue un facteur d'augmentation notable des coûts. Par ailleurs, dans les vannes existantes, l'organe d'obturation fait l'objet de dépôts dus à l'effluent, qui peuvent à la longue conduire à un fonctionnement déficient. La présente invention se propose de fournir une vanne de type universel qui puisse être équipée au choix de l'utilisateur aussi bien d'un organe d'obturation à clapet que d'un organe à balle. Un objectif de l'invention est ainsi de réduire le coût du parc de matériels nécessaires à l'utilisateur, ainsi que les coûts de fabrication des vannes. Un autre objectif de l'invention est d'assurer un nettoyage de l'organe d'obturation à chaque opération d'ouverture de la vanne installée dans un puits. Afin de faciliter la compréhension, la vanne conforme à l'invention est décrite en la supposant en place dans un puits pétrolier, les termes "haut", "bas", "supérieur", "inférieur" se référant à cette position. La vanne de sécurité visée par l'invention est du type comprenant un corps de vanne de forme générale tubulaire, un organe mobile d'obturation situé en partie basse dudit corps et sollicité vers la position de fermeture par des moyens élastiques, un coulisseau tubulaire agencé pour pouvoir coulisser longitudinalement à l'intérieur du corps de vanne en vue d'engendrer dans son mouvement descendant l'ouverture de l'organe d'obturation, un ressort de rappel disposé dans un logement annulaire situé entre le coulisseau et le corps de vanne, de façon à solliciter ledit coulisseau vers une position haute correspondant à la fermeture de l'organe d'obturation, des moyens de déplacement hydraulique du coulisseau vers le bas, comportant une arrivée de fluide de commande à travers le corps de vanne et un volume étanche entre le coulisseau et le corps destiné à recevoir le fluide de commande, le coulisseau présentant une différence de section soumise à la pression du fluide contenu dans ledit volume de façon à subir un effort vers le bas lorsque ledit volume est en pression, un système d'ancrage situé en partie haute du corps de vanne et adapté pour assujettir celui-ci dans un manchon-réceptacle logé dans le tube de production, des garnitures d'étanchéité, inférieure et supérieure, disposées autour du corps de vanne en vue d'assurer une étanchéité à l'interface entre ledit corps de vanne et le manchon-réceptacle à des niveaux situés au-dessous et au-dessus de l'arrivée du fluide de commande. Selon la présente invention, ladite vanne est caractérisée en ce que le corps de vanne comprend en partie basse un manchon inférieur pourvu à sa base et sur son pourtour de moyens d'assemblage, le coulisseau est agencé de façon à demeurer, en position haute, en retrait dans ledit manchon inférieur et à venir, en position basse, en saillie par rapport à celui-ci, . l'organe mobile d'obturation est monté dans un ensemble d'obturation interchangeable comprenant un corps, dit corps d'obturateur, pourvu en partie haute de moyens d'assemblage conjugués de ceux du manchon inférieur de vanne, de façon à pouvoir se fixer de façon amovible sur celui-ci, l'organe mobile d'obturation est agencé dans ledit corps d'obturateur de façon, d'une part, à obturer l'extrémité du manchon inférieur de vanne lorsque le coulisseau se trouve dans sa position haute de retrait, d'autre part, à être repoussé par ledit coulisseau lorsque celui-ci se déplace vers sa position basse en vue d'engendrer l'ouverture. Ainsi, sur le manchon inférieur de la vanne peut être rassemblé, indifféremment, un ensemble d'obturation à clapet ou un ensemble d'obturation à balle. Cet assemblage s'effectue en particulier par un simple vissage, le manchon inférieur de la vanne comprenant en partie basse une collerette filetée sur son pourtour, cependant que le corps d'obturateur est doté en partie haute d'un tronçon tubulaire taraudé, conjugué. La structure de la vanne et notamment l'agencement de son coulisseau et de son ressort de rappel permettent avec les mêmes moyens, d'une part, de garantir la fermeture de l'organe d'obturation (sous l'action de ses propres moyens élastiques), et son étanchéité, d'autre part, d'engendrer la manoeuvre dudit organe d'obturation dans le sens de l'ouverture, par déplacement du coulisseau de vanne, que l'organe d'obturation soit un clapet ou qu'il soit une balle. Ainsi, une seule catégorie de vanne peut être produite par le fabricant et achetée par l'utilisateur, seul l'ensemble d'obturation interchangeable étant spécifique du type d'obturation recherché (clapet ou balle). I1 est à noter que 1' es moyens constitutifs de ces ensembles d'obturation à clapet ou à balle sont en eux-mêmes de type traditionnel : clapet articulé latéralement avec ressort de rappel tendant à le faire pivoter vers la position centrale de fermeture ou balle mobile longitudinalement avec guidage en rotation sur un quart de tour et rappel par ressort la sollicitant vers la position haute de fermeture. Par ailleurs, de façon connue en soi, le manchon inférieur de la vanne comprend une soupape d'équilibrage, tandis que le coulisseau est doté sur son pourtour d'une came d'ouverture de ladite soupape. Ces moyens connus ont pour rôle de réaliser un équilibrage des pressions en amont et en aval de l'organe d'obturation au début de l'opération d'ouverture dans le puits sous pression : cet équilibrage neutralise l'action de la pression aval du puits sur l'organe d'obturation et permet ainsi le déplacement ou le pivotement de ce dernier dans le sens de l'ouverture sous la poussée du coulisseau. Selon des caractéristiques préférentielles de la présente invention la came du coulisseau est longitudinalement positionnée sur celui-ci, de façon que la soupape soit actionnée lorsque l'extrémité dudit coulisseau vient à proximité immédiate ou sensiblement au contact de l'organe d'obturation en position fermée, le coulisseau est formé par un tube continu non percé, de façon à définir un cheminement d'effluent lors de l'équilibrage, passant entre l'extrémité dudit coulisseau et l'organe d'obturation. A l'ouverture, l'effluent engendre ainsi un effet de jet au niveau de l'organe d'obturation, qui nettoie celui-ci et le débarrasse des dépôts dus en particulier à la décantation de l'effluent liquide contenu dans la partie amont du tube de production fermé par la vanne. D'autres caractéristiques, buts et avantaqes de l'invention ressortiront de la description qui suit en référence aux dessins annexés, lesquels en présentent à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description - la figure 1 est une vue an coupe axiale d'une vanne conforme à l'invention, prête à être équipée d'un ensemble d'obturation à clapet ou à balla, - les figures 2, 3 et 4 sont des demicoupes de détail de ladite vanne équipée d'un ensemble d'obturation à clapet, ces vues étant destinées à illustrer le processus d'équilibrage au cours de la phase d'ouverture, - la figure 5 est une coupe de détail de la vanne équipée d'un ensemble d'obturation à balle. La vanne de sécurité représentée à la figure 1 sans son ensemble d'obturation est destinée à être équipée e au choIx de l'utilisateur, soit d'un ensemble d'obturation à clapet (figures 2 à 4), soit d'un ensemble d'obturation à balle (figure 5). Cette vanne est appelée à être insérée dans un tube de production de puits pétrolier doté d'un manchon-réceptacle 1 qui, de façon traditionnelle est pourvu d'une ligne d'arrivée de fluide de commande la et d'une gorge d'ancrage (non visible) dans laquelle est destiné à s'ancrer un verrou d'ancrage prévu à la partie supérieure de la vanne. Ce verrou peut être de tout type connu ou conforme à l'une des demandes de brevet FR déposées simultané ment par la demanderesse. Ladite vanne peut avantageusement présenter la structure générale de la vanne perfectionnée décrite dans une autre demande de brevet FR déposée simultanément par la demanderesse ; cette vanne comprend un corps de vanne de forme qénérale tubulaire, constitué de plusieurs pièces tubulaires assujetties les unes aux autres corps de verrou supérieur (non visible), porte-joint supérieur 3 portant une garniture d'étanchéité supérieure 15, entretoise tubulaire 4, bague-écrou de blocage 5, chemise de ressort 6 possédant un talon supérieur 6a portant une garniture d'étanchéité inférieure 16, manchon inférieur 7. Le porte-joint 3 et l'entretoise 4 sont percés de lumières 3a, 4a pour le passage du fluide de commande provenant de la ligne la. A l'intérieur du corps de vanne, est monté un coulisseau mobile 9 formé par un tube continu, non percé, apte à se déplacer longitudinalement dans le corps de vanne, entre une position basse (correspondant à l'ouverture) et une position haute (correspondant à la fermeture) représentée à la figure 1. Ce coulisseau 9 est rappelé vers sa position haute par un ressort de rappel 10 et est commandé hydrauliquement vers le bas par le fluide de commande arrivant par la ligne la, lorsque cette dernière est mise sous pression. Il est agencé dans le corps de vanne de façon à demeurer en retrait dans le manchon inférieur 7 comme l'illustre la figure 1 lorsque le fluide de commande se trouve hors pression. Cette position haute est assignée au coulisseau par l'action du ressort 10. Lorsqu'il est mis sous pression, le fluide de commande, constitué par un liquide lubrifiant, arrive dans le corps de vanne par la ligne la et les lumières 4 a et 3 a, est arrêté à l'interface corps de vanne/manchon-réceptacle par les garnitures d'étanchéité 15 et 16 situées immédiatement de part et d'autre desdites lumières d'arrivée et vient remplir un volume étanche situé entre le coulisseau et le corps de vanne. Ce volume étanche est limité, à l'interface coulisseau/corps de vanne, d'une part, per un joint d'étanchéité supérieur 21 disposé au-dessus de l'arrivée du fluide en appui contre un tronçon supérieur du coulisseau de diamètre prédéterminé, d'autre part, par un joint d'étanchéIté inférieur 22 disposé dans une gorge au-dessous et au voisinage de l'extrémité inférieure du ressort de rappel 10, en appui contre un tronçon inférieur du coulisseau de diamètre plus grand que celui du tronçon supérieur précité. La différence de diamètre entre ces deux tronçons de coulisseau est définie par des épaulements 9b et 9c que comporte celui-ci : le fluide de commande agit ainsi vers le bas sur le coulisseau par le biais de ces différences de section et amène celui-ci en saillie par rapport au manchon inférieur 7 de façon à manoeuvrer, comme on le verra plus loin, l'organe d'obturation (quelque soit le type de celui ci) Le joint inférieur 22 est disposé dans une gorge du manchon 7 de façon à être positionné au-dessous et à proximité d'une douille 20 de contre-appui du ressort 10. Les joints 21 et 22 sont en particulier des joints toriques. Par ailleurs, le manchon inférieur 7 qui est vissé à la base de la chemise de ressort 6 est équipé d'une soupape d'équilibrage 13 de type classique, qui est actionnée à chaque réouverture de la vanne, au début de la descente du coulisseau 9, par une came 9a de ce dernier en vue d'autoriser un équilibrage des pressions à l'intérieur et à l'extérieur du corps de vanne. Le manchon inférieur 7 comprend, d'autre part, à sa base, une collerette d'assemblage 100 qui est filetée sur son pourtour. Cette collerette dont la surface interne est en continuité avec celle du manchon 7 possède en bout une surépaisseur interne 101 sur le chant de laquelle est ménagée une rainure 102 d'insertion d'un joint d'étanchéité amqvible. La vanne ci-dessus décrite peut être équipée d'un ensemble d'obturation interchangeable, soit à clapet, soit à balle. Cet ensemble comprend un corps d'obturateur l08C (ensemble à clapet : figure 2) ou 108R (ensemble à balle : figure 5), qui comporte en partie haute un tronçon tubulaire taraudé l09C ou 109B, apte à se visser autour de la collerette 100, pour assurer l'assemblage de l'ensemble d'obturation à la base de la vanne. En position assemblée, la surface externe du corps d'obturateur vient en continuité avec celle du manchon inférieur 7. L'organe mobile d'obturation, clapet llOC ou balle llOB, est agencé dans le corps d'obturateur de façon, soit à obturer l'extrémité du manchon inférieur 7 lorsque le coulisseau 9 se trouve dans la position haute de retrait, soit à être repoussé par ledit coulisseau lorsque celui. se déplace vers sa position basse en vue d'engendrer l'ouverture. L'étanchéité à la fermeture est assurée par un joint d'étanchéité amovible 111 C ou lllB qui est maintenu par la rainure 102 du manchon 7. A cet effet, ce joint est pourvu d'un talon inséré de façon amovible dans ladite rainure et d'une tête de forme adaptée au type d'organe d'obturation monté. Dans le cas d'un clapet (figure 2), cette tête est constituée par une lèvre tronconique adaptée pour venir en appui avec une portée conique dont est traditionnellement pourvu le clapet. Dans le cas d'une balle (figure 5), cette tête de forme générale cylindrique, possède un bord de section semf-circulaire, adapté pour venir en appui contre la portée sphérique de la balla. L'organe d'obturation, clapet ou balle, vient en pression contre ce joint d'étanchéité sous l'effet de moyens élastiques qui lui sont associés, lorsque le corps d'obturateur 108C ou 108R est assemblé sur le manchon inférieur de vanne 7 (le coulisseau non soumIs à la pression hydraulique se trouvant en position haute de retrait dans celui-ci sous l'action du ressort 10). Chacun des deux ensembles d'obturation est de structure connue en elle-même (l'ensemble à clapet peut éventuellement être du type de celui décrit dans une des demandas déposées simultanément par la demanderesse). Dans l'ensemble à clapet (figure 2), le clapet est de façon classique articulé autour d'un axe 112 qui est porté par le corps 108C ; un ressort 113 enroulé autour de cet axe, sollicite ledit clapet vers sa position centrale de fermeture. La figure 2 montre un tel ensemble à clapet en position fermée, monté à la base de la vanne. Dans cette position, la came 9a du coulisseau (en position haute) est située au-dessus de la soupape d'équilibrage 13. L'extrémité basse du coulisseau se trouve en retrait dans le manchon inférieur 7 au voisinage du clapet llOC. Lorsque le fluide de commande est mis en pression, le coulisseau 9 descend et sa came 9a vient ouvrir la soupape d'équilibrage 13 (figure 3). L'effluent sous pression pénètre entre le coulisseau 9 et le manchon 7 et s'échappe à l'extrémité basse du coulisseau sous la forme d'un jet qui nettoie le clapet (ou la balle dans le cas d'un ensemble d'obturation à balle dont le fonctionnement est analogue) et chasse les dépôts ayant pu s'accumuler sur celuici pendant la période de fermeture. Pour rendre ce jet plus efficace, la came 9a du coulisseau est longitudinalement positionnée le long de celui-ci, de façon que la soupape soit actionnée lorsque l'extrémité basse du coulisseau vient à proximité immédiate ou sensiblement au contact de l'organe d'obturation fermée.L'on engendre ainsi, au contact de cet organe, un effet de Venturi qui débarrasse celui-ci de tous les dépôts avec une efficacité remarquable. La descente du coulisseau 9 se poursuit sous la pression hydraulique du fluide de commande et celui-ci repousse le clapet llOC jusqu'à ouverture totale comme l'illustre la figure 4. Le mouvement du coulisseau s'arrête lorsqu'il vient en butée contre l'extrémité basse du corps d'obturateur (nez de vanne 114). Le clapet est alors escamoté sur le côté du corps d'obturateur dans une lumière latérale 113 qui lui sert de logement. Le fonctionnement est analogue dans le cas d'un organe d'obturation à balle tel que schématisé à la figure 5. De façon classique, la balle llOB percée d'un passage d'effluent axial est repoussée vers la position de fermeture par un ressort 115 qui agit sur une douille 116. Sous l'effet de la pression hydraulique, le coulisseau 9 de la vanne entre en contact avec la balle 110B et repousse celle-ci vers le bas. Des moyens de guidage classiques (non représentés) engendre une rotation de la balle d'un quart de tour lorsqu'elle descend, de sorte que le passage axial de celle-ci s'aligne avec l'âme creuse du coulisseau. En fin de course, l'extrémité basse 116a de la douille vient en butée contre le nez 117. Pour changer un ensemble d'obturation par un autre, il suffit de dévisser le corps d'obturateur du premier ensemble, de retirer le joint amovible correspondant, d'insérer à l'extrémité du manchon inférieur de vanne 7 un autre joint (lllC ou lllB) adapté au nouvel ensemble à mettre en place, et de visser le corps de ce dernier autour du manchon inférieur de vanne 7. Aucune autre modification n'est à faire sur la vanne dont le coulisseau 9 est apte à assurer, sans changement ni réglage spécifique, la manoeuvre des deux types d'organes d'obturation. REVENDICATIONS 1/ - Vanne de sécurité destinée à être insérée dans un tube de production de puits pétrolier en vue d'en assurer l'ouverture ou la fermeture, ladite vanne comprenant un corps de vanne de forme générale tubulaire, un organe mobile d'obturation situé en partie basse dudit corps et sollicité vers la position de fermeture par des moyens élastiques, un coulisseau tubulaire (9) agencé pour pouvoir coulisser longitudinalement à l'intérieur du corps de vanne en vue d'engendrer dans son mouvement descendant l'ouverture de l'organe d'obturation, un ressort de rappel (10) disposé dans un logement annulaire situé entre le coulisseau et le corps de vanne, de façon à solliciteur ledit coulisseau vers une position haute correspondant à la fermeture de l'organe d'obturation, des moyens de déplacement hydraulique du coulisseau vers le bas, comportant une arrivée (3a, 4a) de fluide de commande à travers le corps de vanne et un volume étanche entre le coulissesu et le corps destiné à recevoir le fluide de commanda, le coulisseau (9) présentant une différence de section soumise à la pression du fluide contenu dans ledit volume de façon à subir un effort vers le bas lorsque ledit volume est en pression, un système d'ancrage situé en partie haute du corps de vanne et adapté pour assujettir celui-ci dans un manchon-réceptacle (1) logé dans le tube de production, des garnitures d'étanchéité, inférieure (16) et supérieure (15), disposées autour du corps de vanne en vue d'assurer une étanchéité à l'interface entre ledit corps de vanne et le manchon-réceptacle à des niveaux situés au-dessous et au-dessus de l'arrivée du fluide de commande, ladite vanne étant caractérisée en ce que le corps de vanne comprend en partie basse un manchon inférieur (7) pourvu à sa base et sur son pourtour de moyens d'assemblage (100), le coulisseau (9) est agencé de façon à demeurer, en position haute, en retrait dans ledit manchon inférieur (7) et à venir, en position basse, en saillie par rapport à celui-ci, . l'organe mobile d'obturation (llOC, llOB) est monté dans un ensemble d'obturation interchangeable comprenant un corps, dit corps d'obturateur (108C, 108B), pourvu en partie haute de moyens d'assemblage (109C, 109F3) conjugués de ceux du manchon inférieur de vanne (7), de façon à pouvoir se fixer de façon amovible sur celui-ci, I'ofgane mobile d'obturation (llOC, llOB) est agencé dans ledit corps d'obturateur de façon, d'une part, à obturer l'extrémité du manchon inférieur de vanne (7) lorsque le coulisseau (9) se trouve dans sa position haute de retrait, d'autre part, à être repoussé par ledit coulisseau lorsque celui-ci se déplace vers sa position basse en vue d'engendrer l'ouverture. 2/ - Vanne de sécurité selon la revendication 1, caractérisée en ce que le manchon inférieur (7) de la vanne porte, sur son chant d'extrémité, un joint d'étanchéité amovible (lllC, lllB) pourvu, d'une part, d'un talon inséré de façon amovible dans une rainure (102) ménagée dans ledit chant d'extrémité, d'autre part, d'une tête de forme adaptée au type d'organe d'obturation monté, . l'organe d'obturation (llOC, 1108) est agencé dans le corps d'obturateur (108C, 108 B) de façon à venir en pression contre ledit joint d'étanchéité lorsque le corps d'obturateur est assemblé sur ledit manchon, le coulisseau (9) étant en position haute de retrait. 3/ - Vanne de sécurité selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle est monté un ensemble d'obturation à clapet (llflC), par assemblage de son corps d'obturateur (108C) sur le manchon inférieur de vanne (7). 4/ - Vanne de sécurité selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle est monté un ensemble d'obturation à balle (llOB), par assemblage de son corps d'obturateur (1088) sur le manchon inférieur de vanne (7). 5/ - Vanne de sécurité selon l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, dans laquelle le manchon inférieur de vanne (7) comprend une soupape d'équilibrage (13), le coulisseau (9) étant doté, sur son pourtour, d'une came (9a) d'ouverture de ladite soupape, caractérisée en ce que . la came (9a) du coulisseau est longitudinalement positionnée sur celui-ci, de façon que la soupape (13) soit actionnée lorsque l'extrémité basse dudit coulisseau vient à proximité immédiate ou sensiblement au contact de l'organe d'obturation en position fermée (llOC, 1108), le coulisseau (9) est formé par un tube continu non percé, de façon à définir un cheminement d'effluent lors de l'équilibrage, passant entre l'extrémité basse dudIt coulisseau et l'organe d'obturation. 6/ - Vanne de sécurité selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que le manchon inférieur de vanne (7) comprend, en partie basse, une collerette (100) filetée sur son pourtour, dont la surface interne est en continuité avec celle dudit manchon, le corps d'obturateur (108C, 1088) comprend, en partie haute, un tronçon tubulaire taraudé (109C, 1098) apte à se visser autour de la collerette précitée, de sorte que la surface externe du corps d'obturateur vienne en continuité avec celle du manchon inférieur (7). 7/ - Vanne de sécurité selon les revendications 2 et 6 prises ensemble, caractérisée en ce que la rainure (102) d'insertion du joint d'étanchéité amovible (lllC, 111 B) est ménagée sur le chant de la collerette (100), laquelle possède en bout une surépaisseur interne (101).