Brevet FR2609142A1 — publié le 19880701

La présente invention concerne un dispositif pilote distributeur pour la commande d'une vanne de sécurité. I1 s'applique en particulier à la commande des vannes de sécurité pour stockage de gaz naturel en cavité souterraine. En effet, les stockages de gaz naturel en cavité souterraine sont exploités par l'intermédiaire de puits forés comparables à des puits pétroliers, c'est-à-dire dans lesquels est installé å demeure, après forage, un train de tiges formant une canalisation permettant d'injecter le gaz dans la cavité, ou de l'en soutirer. Pour pouvoir fermer rapidement le puits et éviter l'irruption de gaz en cas de rupture accidentelle des conduites de surface, il est prévu dans le train de tubes dc forage une vanne de sécurité placée en profondeur, par exemple à une trentaine de mètres sous la surface du sol. Une telle vanne, connue dans la technique sous le nor ce ball safety valve (vanne de sécurité à opercule sphérique et ouverture commandée par pression hydraulique), est une vanne à sécurité positive, c'est-à-dire qu'elle se ferme automatiquement sous l'action de ressorts, n'étant maintien ouverte que par l'effet d'une pression hydraulique appliquée depuis la surface par un dispositif dit "pilote distributeur", qui contrôle en permanence les paramètres de pression dans la conduite de gaz en surface, et commande la fermeture de la vanne dès que ceux-ci atteignent certaines valeurs critiques prédéterminées. Les pilotes distributeurs utilisés jusqu'à présent étaient constitués d'une simple soupape à seuil de déclenchement assurant la fermeture de la vanne (chute provoquée de pression dans le circuit hydraulique) lorsque la pression du gaz dans la conduite de surface tombait en deçà d'un seuil minimal prédéterminé. Ces conditions de commande ne sont pas apparues satisfaisantes en pratique, dans la mesure où certaines avaries graves ne sont pas détectées immédiatement : en particulier, si la pression régnant dans la conduite de surface est initialement à un niveau élevé et qu'une rupture de canalisation intervient, une quantité importante de ga pourra s'échapper avant que la pression ne tombe en deç & du seuil autorisant la fermeture de la vanne. La présente invention a précisément pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un pilote distributeur perfectionné permettant, outre la fonction classique de déclenchement en fonction du seuil de pression, d'assurer une détection anticipée et une commande quasi-immédiate de la vanne en cas de baisse brusque de pression, et ce, avant même que le seuil limite prédéterminé ne soit franchi. Plus précisément, le dispositif de l'invention est du type comprenant - un tiroir de distributeur relié au circuit hydraulique de la vanne, - une tige de commande de ce tiroir de distributeur, - des moyens d'actionnement de la tige, fonctionnant en réponse aux variations de pression de gaz dans une conduite à surveiller en aval de la vanne de sécurité. Selon l'invention, les moyens d'actionnement comprennent en premier piston, mobile à l'intérieur d'un cylindre fixe et présentant deux sections actives en opposition définissant chacune avec le cylindre fixe une chambre respective de manière à provoquer un déplacement sous l'effet d'une différence de pression existant entre ces deux chambres, la première chambre étant reliée directement à une prise de pression statique de la conduite à surveiller et la seconde chambre étant reliée à cette même prise par l'intermédiaire d'un circuit introduisant une constante de temps de valeur prédéterminée. De la sorte, une différence de pression entre les deux chambres se manifeste dès l'apparition d'un gradient de pression hP/At dans la conduite à surveiller, provoquant un déplacement du premier piston et une translation consécutive de la tige et du tiroir de distribution du circuit hydraulique de la vanne de sécurité, commandant ainsi la fermeture de cette dernière. On contrôle de cette façon le déclenchement de la vanne en fonction d'un gradient de pression et non plus seulement d'une simple valeur de pression totale régnant dans la conduite ; en d'autres termes, la fermeture de la vanne est réalisée dès qu'un abaissement rapide de la pression est détecté, bien avant qu'un seuil minimun ne soit atteint. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention - il est prévu un ressort moteur du premier piston, exerçant sur celui-ci un effet de précontrainte allant à l'encontre de l'effort exerçé par la pression régnant dans la seconde chambre, de manière à définir un seuil minimum de déclenchement en deçà duquel le gradient de pression bP/At ne produira aucun déplacement du premier tiroir; - dans ce cas, il est prévu des moyens de réglage de la tension de précontrainte du ressort moteur du premier piston;; - la tige de commande du distributeur est soumise à l'action d'un ressort tendant à la déplacer dans le sens provoquant la fermeture de la vanne, et retenue dans la position assurant le maintien de la vanne en position ouverte par des moyens de verrouillage, ces moyens de verrouillage étant libérés par la translation du premier piston consécutive à la détection d'un gradient de pression ; - les moyens de verrouillage comprennent au moins une bille coopérant avec une gorge annulaire de la tige, ces bille étant sollicitées radialement par la tige de commande soumise à l'action du ressort, et empêchées de se déplacer radialement par un élément du premier piston formant organe de retenue, tant que le premier piston se trouve dans sa position avant translation ;; - les moyens d'actionnement comprennent un second piston, mobile à l'intérieur du cylindre fixe et pourvu d'une section active définissant avec le cylindre fixe une chambre, ce second piston étant soumis à l'action d'un ressort tendant à le déplacer dans le sens provoquant la fermeture de la vanne, de sorte que, pour une pression dans la conduite à surveiller correspondant à une valeur nominale prédéterminée, la pression dans ladite chambre équilibre l'effet du ressort, tandis que l'abaissement de la valeur instantanée de la pression en deçà d'un seuil donné, défini par la tension du ressort, provoque un déplacement du second piston et une translation consécutive de la tige et du tiroir de distribution du circuit hydraulique de la vanne de sécurité, commandant ainsi la fermeture de celle-ci ;; - un élément du second piston formant organe de retenue empeche également les billes de se déplacer radialement, tant que le second piston se trouve dans sa position avant translation - il est en outre prévu des moyens de réglage de la tension de précontrainte du ressort moteur du second piston. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-dessous d'un mode de réalisation, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue d'ensemble, en coupe longitudinale, du pilote distributeur selon l'invention, avec une représentation schématique des circuits hydrauliques de commande de la vanne et du circuit de mesure de la pression régnant dans la conduite extérieure, - la figure 2 est une vue en coupe, à échelle agrandie, d système de contrôle des pressions de gaz du pilote distributeur de la figure 1, - la figure 3 montre le détail, vu selon la direction III-III de la figure 1, du dispositif du réglage du seuil de pression statique provoquant le déclenchement de la vanne, - la figure 4 montre l'outil de réarmement du pilote, utilisé après un déclenchement. Sur la figure 1, la référence 1 désigne une cavité souterraine dans laquelle est stocké du gaz naturel, celui-ci pouvant être injecté ou prélevé par un train de tubes 2 mis en place dans un forage pratiqué entre le niveau du sol et la cavité 1. Ce train de tubes est relié à une conduite de surface 3 desservant les circuits d'utilisation et de distribution du gaz. Le train de tubes 2 comprend une vanne profonde 4, servant de vanne de sécurité, ayant pour fonction d'isoler et d'obturer la cavité 1 dans les plus brefs délais en cas d'incident détecté en aval (fuite ou rupture de la canalisation de surface 3, ou de la partie du train de tubes située entre la vanne et la surface). Cette vanne est du type ball safety valve précité, reliée par une canalisation hydraulique 5 de commande à un dispositif de contrôle en surface dont l'élément essentiel est un pilote distributeur 6 que l'on décrira maintenant en détail. Ce pilote distributeur comprend, de façon classique, un ensemble hydraulique 7 servant à la commande à distance de la vanne profonde 4. Cet ensemble 7 comprend un corps fixe 8 et un tiroir de distributeur 9 contrôlant la circulation du fluide entre trois orifices 10, 11 et 12. L'orifice 10 est relié à la conduite hydraulique 5 de commande de la vanne, l'orifice 11 étant relié à une source de pression 13 (orifice d'arrivée de pression), tandis que l'orifice 12 est relié à la pompe de recyclage 14 du circuit hydraulique (orifice de retour de pression) Dans la position représentée figure 1, le tiroir assure l'ouverture de la vanne par mise en communication des orifice 10 et 11, de manière à mettre sous pression les organe hydrauliques de la vanne 4. Cette mise en communication est assurée via une première chambre axiale 15, reliée à l'orifice 11 par un premier passage annulaire 16 et à l'orifice 10 pa un second passage annulaire 17. Le circuit hydraulique interne de la vanne est ainsi mis sous pression par la conduite hydraulique 5, ce qui a pou effet de repousser le clapet de la vanne à l'encontre d'un ressort de rappel : une communication est alors établie entre le train de tubes 2 et la cavité 1 pour permettre le passage du gaz stocké ou à stocker. Lorsque le tiroir est déplacé vers la gauche par rapport à la position illustrée figure 1, l'orifice 10 de commande de la vanne vient communiquer avec une seconde chambre axiale 18 par l'intermédiaire du passage annulaire 17, cette seconde chambre axiale 18 étant elle-même mise en communication avec l'orifice 12 de retour de pression, ce qui a pour effet de faire chuter rapidement la pression hydraulique et d'entrainer la fermeture consécutive de la vanne, dont le clapet n'est plus sollicité que par le ressort de rappel. La commande du tiroir de distributeur est obtenue par action mécanique sur une chape 19 pourvue de deux lumières d'entrainement oblongues 20 aptes b recevoir une goupille d'entrainement afin d'assurer la transmission du mouvement de translation axiale. L'ensemble chape-goupille est enfermé à l'intérieur d'un soufflet 21 pour assurer sa protection vis-à-vis de l'environnement extérieur. Le système de contrôle des pressions de 'gaz du pilote distributeur, caractéristique de l'invention, est représenté à droite du distributeur hydraulique 7 ; il comprend essentiellement un bâti fixe 10, solidaire du corps de distributeur 8, une tige de commande 200 dont la translation axiale provoquera le déplacement du tiroir 9 par l'intermédiaire de la goupille transversale 210, un premier piston de commande 300, assurant le déclenchement en fonction du gradient de pression, et un second piston 400 assurant le déclenchement en fonction de la valeur instantanée de pression statique mesurée dans la canalisation. Ce système est représenté plus en détail figure 2. La tige de commande 200, disposée axialement, traverse de part en part le système de contrôle des pressions de gaz elle est pourvue à son extrémité gauche d'une goupille 210 transversale, venant coopérer avec les lumières oblongues 20 de la chape 19 pour entraîner le tiroir du distributeur hydraulique. La forme oblongue des lumières 20 permet d'assurer un léger jeu de sécurité à la commande, pour éviter que le tiroir ne soit décalé du fait d'un très léger jeu fonctionnnel de la tige, ou bien sous l'effet de vibrations de celle-ci, de variations de longueur dues à des cycles thermiques,... A son extrémité opposée, la tige est pourvue d'une autre goupille axiale 220 permettant le réarmement du dispositif par action manuelle au moyen d'un outil spécifique que l'on décrira plus bas en référence à la figure 4. La tige 200 est immobilisée en position grâce à une série de billes périphériques 500 engagées dans une gorge annulaire 230 de la tige, et empêchées de se déplacer radialement en raison de la présence des pistons 300 et 400 en butée avec ces billes, verrouillant ainsi la tige. La tige est en outre sollicitée vers la gauche par un ressort 240 agissant sur un disque 250 solidaire de la goupille d'entrainement 210 : de cette manière, dès que les billes de verrouillage 500 seront libérées, la tige de commande sera projetée vers la gauche, entraînant simultanément le tiroir du distributeur hydraulique de commande de la vanne. Le premier piston 300 est un piston différentiel qui coulisse le long de la tige 200 et à l'intérieur du corps fixe 100 formant cylindre. Ce piston comporte deux surfaces opposées 310, 32G définissant avec le cylindre 100 deux chambres 311, 321 mises en communication avec des orifices respectifs 312, 322. La course de ce piston 300 est limitée d'une part vers la gauche par venue en butée contre un épaulement 330 du corps 100, et d'autre part vers la droite par venue en butée contre un épaulement 340 du couvercle 110 du corps 100. L'étanchéité entre le piston 300 et le cylindre 100, ainsi qu'entre les chambres 311 et 321, est bien entendu assurée pa une série de joints toriques, de manière classique. En position de repos (c'est--à-dire en l'absence de pression appliquée aux orifices 312 et 322), le piston 300 est mis e butée contre l'épaulement 330 par l'intermédiaire d'un ressort 350 dont la précontrainte peut être réglée au moyen d'ur. chapeau ajustable 360 s'engageant sur un prolongement fileté 120 du couvercle 110. L'orifice 322 est relié (figure 1) directement à une prise de pression statique 22 de la conduite de surface, tandis que l'orifice 312 est relié à cette même prise de pression statique 22, mais avec interposition d'un circuit pneumatique 600 à retard. Ce circuit 600 est constitué, de façon classique, d'un étranglement 610 (ajutage de faible diamètre) en série avec un accumulateur de pression 620 (chambre de détente en aval de l'ajutage), de manière à introduire entre l'amont et l'aval de ce dispositif 600 une constante de temps, fonction du diamètre de l'ajutage et du volume de la chambre de détente. Le second piston 400, quant à lui, coulisse également autour de la tige 200 et a intérieur du cylindre 100 ; il comporte une surface active 410 sur laquelle vient s'exercer la pression régnant dans la chambre 411 que le piston 400 définit avec la chambre 100. Cette chambre 411 communique avec un orifice 412 relié (figure 1) à la prise de pression statique 22 de la conduite de surface. La course du piston 400 est limitée d'une part vers la droite par venue en butée contre l'épaulement 430 du cylindre, et d'autre part vers la gauche par venue en butée contre la paroi 440 du bouchon de fermeture 130 du corps 100. Comme dans le cas du premier piston, l'étanchéité est bien entendu assurée à tous les niveaux par un ensemble de joints toriques. Ce piston 400 est sollicité vers la gauche par un ressort 450 venant appuyer sur une couronne 460 solidaire du piston 400. La précontrainte de ce ressort peut être réglée au moyen d'un dispositif, illustré en détail figure 3, comprenant un couvercle 460 dont la position axiale par rapport au corps 100 est ajustée au moyen d'une vis-pointeau 470 réglant la position d'une came 480 agissant elle-même sur une paire de manetons 490 solidaires du couvercle 460 (la came 480 formant levier entre un point d'appui 481 en contact avec le corps 100, une butée 482 en contact avec la vis pointeau 470, et une gorge 483 en contact avec le maneton 490). On va maintenant expliquer le fonctionnement du dispositif. En régime permanent, lorsque la pression est stable dans la conduite de surface 3 et correspond à une valeur nominale prédéterminée, la pression dans la chambre 411 exerce sur la surface 410 une force supérieure à celle du ressort 450, de sorte que le piston 400 est maintenu en butée contre l'épaulement 430, sa face frontale, plane, venant empêcher tout déplacement des billes 500. Par ailleurs, les pressions dans les chambres 311 et 321 sont égales (la constante de temps apportée par le circuit 600 étant sans effet, puisque la pression n'évolue pas ou n'évolue que très lentement), de sorte que le piston 300 n'est sollicité que par le ressort 350, et donc mis en butée contre l'épaulement 330, sa face frontale, par exemple conique, venant en appui contre les billes 500 ; ces dernières, immmobilisées entre le piston 300 le piston 400 et la gorge 230, sont alors empêchées de se déplacer radialement et assurent le verrouillage de la tige de commande 200. Lorsque la pression varie lentement dans la conduite, les pressions dans les chambres 311 et 321 restent égales ou très légèrement différentes, de sorte que la sollicitation du ressort 350 reste prépondérante : les pistons n'étant pas déplacés, la tige 200 reste verrouillée en place. De même, lorsque la pression augmente brusquement dans la conduite (évolution ne révélant aucun incident), du fait du circuit à constante de temps 600 la pression régnant dans la chambre 321 devient supérieure à celle régnant dans la chanvre 311, de sorte que l'action différentielle exercée sur le piston 300 renforce celle du ressort 350, maintenant verrouillé I'encliquetage à billes de la tige de commande. Si par contre la pression vient à baisser brusquement (par exemple par suite d'une rupture de canalisation), la pression régnant dans la chambre 322 devient supérieure à celle régnant dans la chambre 311 du fait de l'effet retard introduit par le circuit à constante de temps 600. L'effort différentiel exercé sur le piston 300 devient dès lors opposé à celui exercé par le ressort 350, et s'il devient prépondérant autorise l'effacement vers la droite du piston 300 et donc la libération de la couronne de billes 500 ; par suite, la tige 200, sollicitée par le ressort 240, va déplacer vers la gauche le tiroir du distributeur hydraulique, provoquant ainsi la fermeture immédiate de la vanne. On notera que, en raison du caractère différentiel de la sollicitation du piston 300, le déclenchement pourra s'opérer indépendamment de la valeur instantanée de la pression régnant dans la conduite, ce qui permet de déclencher immédiatement la vanne, sans attendre que cette pression ne tombe en deçà d'un seuil prédéterminé. Le réglage de la précontrainte du ressort 350 par le couvercle fileté 360 permet de choisir la valeur du gradient de pression bP/t pour laquelle le déclenchement se produira, le choix du ressort 350 dépendant de la sensibilité de déclenchement désirée et du rapport des surfaces actives opposées 310 et 320 du piston différentiel 300, ces surfaces pouvant être égales ou inégales. Le déclenchement peut également se produire en cas de baisse lente de pression, avec un gradient de pression QP/ht restant inférieur à la valeur préréglée (cas d'une fuite de faible importance, par exemple) : dans ce cas, la baisse de la pression régnant dans la chambre 411 entraînera une diminution de l'effort exercé sur la surface active 410 du piston 400, de sorte que cet effort sera insuffisant pour équilibrer la sollicitation du ressort 450 ; dès lors, en deçà d'une certaine valeur, le piston 400 sera repoussé vers la gauche par le ressort 450, provoquant ainsi la libération de la couronne de billes 500 et de la tige 200 de commande du tiroir de distributeur ; on assure par conséquent la fermeture de la vanne de sécurité également dans cette hypothèse. Après un déclenchement, la remise en service du dispositif ne pourra se faire que par intervention manuelle, au moyen de l'outil 700 illustré figure 4 : cet outil comprend une bague de fixation 710 avec une vis de blocage 720 venant se loger dans une gorge 140 du corps 100, deux bras articulés 730,740 et une fourchette 760 dans laquelle vient s'engager la goupille 220. La manoeuvre de l'outil 700 permet de recomprimer le ressort 240 de la tige, et d'encliqueter cette dernière par remise en place des billes. Bien entendu, cette opération de remise en service ne sera possible que si les pressions dans les différentes chambres sont redevenues normales. REVENDICATIONS 1.Dispositif pilote distributeur (6) pour la commande d'une vanne de sécurité (4), notamment une vanne de sécurité pour stockage de gaz naturel en cavité souterraine (1), comprenant - un tiroir de distributeur (9) relié au circuit hydraulique de la vanne, - une tige (200) de catrnnoe de oe tiroir cie Gistributeur, - des moyens d'actionnement de la tige, fonctionnant en réponse aux variations de pression de gaz dans une conduite (3) à surveiller en aval de la vanne de sécurité, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement comprennent un premier piston (300), mobile à l'intérieur d'un cylindre fixe (100) et présentant deux sections actives (320, 310) e opposition définissant chacune avec le cylindre fixe une chambre respective (321, 311) de manière à provoquer ur. déplacement sous l'effet d'une différence de pression existant entre ces deux chambres, la première chambre (321) étant reliée directement à une prise de pression statique (22) de la conduite à surveiller et la seconde chambre (311) étant reliée à cette même prise par l'intermédiaire d'un circuit (600) introduisant une constante de temps de valeur prédéterminée, de sorte qu'une différence de pression entre les deux chambres se manifeste dès l'apparition d'un gradient de pression AP/At dans la conduite à surveiller, provoquant un déplacement du premier piston et une translation consécutive de la tige et du tiroir de distribution du circuit hydraulique de la vanne de sécurité, commandant ainsi la fermeture de cette dernière. 2. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel il est en outre prévu un ressort (350) moteur du premier piston, exerçant sur celui-ci un effet de précontrainte allant à l'encontre de l'effort exerçé par la pression régnant dans la seconde chambre, de manière à définir un seuil minimum de déclenchement en deçà duquel le gradient de pression bP/At ne produira aucun déplacement du premier tiroir. 3. Le dispositif de la revendication 2, dans lequel il est prévu des moyens (120, 360) de réglage de la tension de précontrainte du ressort moteur du premier piston. 4. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel la tige (200) de commande du distributeur est en outre soumise & l'action d'un ressort (240) tendant ê la déplacer dans le sens provoquant la fermeture de la vanne, et retenue dans la position assurant le maintien de la vanne en position ouverte par des moyens de verrouillage, ces moyens de verrouillage étant libérés par la translation du premier piston consécutive à la détection d'un gradient de pression. 5. Le dispositif de la revendication 4, dans lequel les moyens de verrouillage comprennent au moins une bille (500) coopérant avec une gorge annulaire (230) de la tige, ces billes étant sollicitées radialement par la tige de commande soumise à l'action du ressort, et empêchées de se déplacer radialement par un élément du premier piston formant organe de retenue, tant que le premier piston se trouve dans sa position avant translation. 6. Le dispositif de la revendication 1, dans lequel les moyens d'actionnement comprennent en outre un second piston (400), mobile à l'intérieur du cylindre fixe(100) et pourvu d'une section active (410) définissant avec le cylindre fixe une chambre (411), ce second piston étant soumis à l'action d'un ressort (450) tendant à le déplacer dans le sens provoquant la fermeture de la vanne, de sorte que, pour une pression dans la conduite à surveiller correspondant à une valeur nominale prédéterminée, la pression dans ladite chambre équilibre l'effet du ressort, tandis que l'abaissement de la valeur instantanée de la pression en deçà d'un seuil donné, défini par la tension du ressort, provoque un déplacement du second piston et une translation consécutive de la tige et du tiroir de distribution du circuit hydraulique de la vanne de sécurité, commandant ainsi la fermeture de celle-ci. 7. Le dispositif des revendications 5 et 6 prises en combinaison, dans lequel un élément du second piston formant organe de retenue empêche également les billes de se déplacer radialement, tant que le second piston se trouve dans sa position avant translation. 8. Le dispositif de la revendication 6, dans lequel il est en outre prévu des moyens (460-490) de réglage de la tension de précontrainte du ressort moteur du second piston.