Brevet FR2654772A1 — publié le 19910524

La présente invention se rapporte à un dispositif détecteur de fuites en tête de puits pour puits pétrolier en pompage par tiges. Il s'agit, en conséquence, d'un dispositif entrant dans la composition d'un système d'alarme et de sécurité de tête de puits. Une grande majorité des puits de production pétrolière sont des puits non éruptifs, la pression de fond étant insuffisante pour permettre au fluide de remonter luimême jusqu'en surface. Ces puits nécessitent donc un mode d'assistance. Le mode d'assistance le plus employé est le pompage, et plus particulièrement le pompage par tiges. La présente invention s'applique à la mise en oeuvre de ce type de pompage et non aux autres moyens d'activation des puits que sont le pompage électrique ou le "gas-lift". Le pompage par tiges est une méthode qui met principalement en oeuvre une unité de pompage de surface (avec son moteur et son balancier), une pompe de fond, un train de tiges de pompage, une tige de liaison de ce train de tiges avec l'unité de pompage que l'on appelle la tige polie, et enfin une tête de puits avec son presse-étoupe pour réaliser une bonne étanchéité entre le tubage de production et l'extérieur. Il importe de noter que certains puits activés par pompage par tiges peuvent être légèrement éruptifs. De plus, on doit tenir compte de l'éventualité d'une rupture de la tige polie au niveau du presse-étoupe comme également de l'usure de l'un quelconque des moyens d'étanchéité de l'installation de production. Dans tous ces cas, les fuites accidentelles d'hydrocarbures ont des conséquences dommageables sur l'environnement du site de production. Pour cette raison les exploitants ont installé sur ces puits des systèmes d'alarme et de sécurité ayant pour fonction de fermer la production en cas de survenue de tels incidents. Ces systèmes sont - soit des vannes de sécurité qui peuvent être descendues à des profondeurs relativement élevées et peuvent donc être positionnées sous la pompe de fond, - soit des blocs obturateurs de puits (B.O.P) de surface qui assurent la fermeture complète sur la tige polie. Ces organes de fermeture sont en général commandés par des pilotes basse pression qui détectent les fuites par les chutes de pression qu'elles entraînent en tête de puits. De tels systèmes présentent l'inconvénient d'être peu précis ; il faut, en effet, une chute de pression substantielle pour que la détection soit rapide et fiable. Pour obvier à de tels inconvénients, la présente invention propose un dispositif détectant directement les fuites de fluide de brut, plus sensible, plus précis, et de plus simple réalisation. Par détection directe du fluide, on entend la détection de l'écoulement et non la mesure de ses paramètres fluidiques. Ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte une chambre qui entoure la tige polie au dessus du presse-étoupe de manière à capter les fuites éventuelles du fluide de brut qui pourraient apparaître à la partie supérieure du presseétoupe, cette chambre étant munie d'un déversoir du fluide ainsi capté pour permettre son évacuation. Enfin, un moyen de détection est prévu pour détecter la présence d'un écoulement du fluide ainsi évacué. Selon une variante préférentielle de réalisation de l'invention la dite chambre est reliée au presse-étoupe par emboîtage de sa partie inférieure sur un manchon de liaison, qui s'emboîte lui-même sur la partie supérieure du presseétoupe et laisse échapper les fuites éventuelles de fluide en provenance du presse-étoupe vers ladite chambre. Le manchon de liaison est emboîté au presse-étoupe au moyen d'un joint d'étanchéité qui assure une étanchéité vers l'éxtêrieur, toute fuite du presse-étoupe étant alors dirigée vers la chambre. Dans un mode d'exécution préférentielle de l'invention également le déversoir est constitué par un tronçon tubulaire qui évacue l'écoulement des fuites éventuelles vers l'extérieur. De manière avantageuse, ledit tronçon tubulaire est d'axe incliné vers le bas à partir de la périphérie de la chambre. Le moyen de détection de l'écoulement dans le déversoir est constitué, de façon préférentielle, par un volet basculant sous l'effet de l'écoulement, un détecteur de basculement par capteur de proximité étant associé au volet. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif de l'objet de l'invention, accompagné du dessin dans lequel - la figure 1 est un schéma d'ensemble partiellement éclaté d'une installation de pompage par tiges, - la figure 2 est une vue en coupe du dispositif détecteur de fuites selon le mode préférentiel d'exécution de l'invention. L'installation de pompage représentée sur le dessin de la figure 1 comprend un moteur 1 couplé à un réducteur 2 dont l'arbre de sortie, par le biais d'un villebrequin 3 et d'une bielle Pitman 4, entraîne le mouvement de basculement alternatif du balancier 5, de son contrepoids 7 et de sa tête dite "tête de cheval"6, autour d'un axe horizontal 5a supporté par le support de balancier 8. Par l'intermédiaire de câbles métalliques 9, le mouvement de la tête de cheval communique à un train de tiges de pompage 19 un mouvement rectiligne alternatif. Ce mouvement est communiqué par l'intermédiaire d'une liaison mécanique constituée essentiellement d'un étrier 10, d'une tige polie 12 reliée à l'étrier par un collier 11.La tige polie 12 est reliée rigidement en translation au train de tige 19 qui soutient le piston et le clapet mobile d'une pompe de fond 21 tandis que le cylindre et le clapet fixe de la pompe de fond sont immobilisés par rapport au tubage représenté par la référence 18. Le tubage 18 est formé par un train de tubages par lequel est évacuée le production du puits. Le cuvelage du puits est représenté par la référence 17, son extrémité supérieure ou tête de cuvelage étant représentée par la référence 16. L'anneau de soutènement du cuvelage 15 complète la description brève et schématique de l'installation de production subsurface. Un té 14 monté sur le tubage de production évacue la production du puits par une canalisation 23. Un presse-étoupe 13 enserre la tige polie 12 et réalise une étanchéité de l'écoulement de la production. Au dessus du presse-étoupe 13,juxtaposé à ce dernier est prévue une chambre 22 qui entoure la tige polie 12 pour récupérer les fuites éventuelles du presse-étoupe. Cette chambre 22 est représentée en détails sur le dessin de la figure 2. La tige polie est représentée par la référence 12, le presse-étoupe non détaillé par la référence 13, le chapeau du presse-étoupe non détaillé par la référence 13 a. Au dessus du chapeau de presse-étoupe 13 a est prévue une chambre 22 entourant la tige polie, constituée par un boitier circulaire 24 formant surface latérale de la chambre 22, par un couvercle 25 en deux éléments superposés 25 a, 25 b enserrant un joint d'étanchéité 26 en klingérite. Ce joint frotte sur la tige polie, l'essuie, mais, du fait de son usure, n'assure pas une étanchéité parfaite. Ce joint en klingérite 26 a été préalablement choisi pour une tige polie de diamètre 38mm. Il peut être rapidement changé, en cas d'usure, sur le chantier. On peut également le remplacer par un joint de diamètre intérieur différent adapté à un autre diamètre (plus petit) de tige polie. La chambre 22 est limitée à sa partie inférieure par une embase 27 dans laquelle est monté concentriquement à la tige polie un manchon de liaison 28, de diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur de la tige polie, lequel manchon permet de relier l'espace intérieur de la chambre 22 à celui du presse-étoupe 13. Ces espaces et le jeu entre la tige polie et le manchon de liaison sont isolés de l'extérieur par un joint d'étanchéité 29 en klingérite. L'ensemble formant la chambre 22 c'est-à-dire le boitier 24, le couvercle 25 a, 25 b et 1'embrase 27, est immobilisé rigidement sur le chapeau de presse-étoupe 13 a au moyen d'un anneau 30 en deux morceaux et de trois tiges filetées 31. L'anneau 30 en deux parties ne serre pas le corps du presse-étoupe 13, mais sert simplement d'appui aux trois écroux et tiges filetées 31 qui assurent la solidarisation du dispositif de détection et du chapeau de presse-étoupe 13 a. Les écrous et tiges filetées 31 servent également à l'écrasement du joint 29 qui sépare le chapeau de presseétoupe de l'embase 27 délimitant la chambre 22. Les fuites du presse-étoupe sont collectées dans la chambre 22 par l'espace entre l'alesage du manchon de liaison 28 et la tige polie 12. Les fuites ainsi collectées sont évacuées par un tronçon de tube 32 formant déversoir dont l'extrémité débouchante est fermée en l'absence d'écoulement par un volet basculant 33 autour d'un axe 34 monté sur un support 35 rigidement lié (par soudage, par exemple) au boîtier fixe 24 de la chambre 22. La forte inclinaison du tronçon de tube 32 permet l'évacuation facile des fluides, y compris ceux dont la viscosité est élevée. L'autre partie du volet basculant - la partie supérieure sur le dessin de la figure 2 - fait face à un capteur de proximité 36, fixe, relié rigidement également au boitier fixe 24 de la chambre 22 par un ensemble de tôles ou équerres non référencées. Le capteur de proximité 36 est relié au système d'alarme et de sécurité schématisé par 37 par l'intermédiaire du coffret électrique 38. En cas de fuites du presse-étoupe ou de rupture de tige polie, les fuites collectées dans la chambre 22 par le manchon de liaison 28 sont évacuées par le déversoir 32. L'écoulement à la sortie du déversoir provoque le basculement du volet 33 autour de son axe 34. Le capteur de proximité détecte ce basculement et envoi un signal électrique déclenchant le système sécurité ou d'alarme selon une procédure connue en soi. La position du capteur de proximité 36, réglable, permet de fixer le seuil qui l'on ne souhaite pas dépasser en ce qui concerne le débit de fluide de fuite. Le système de détection constitué par le volet basculant 33 et le capteur de proximité 36 peut être avantageusement remplacée par un système de détection optique: un faisceau lumineux coupé par l'écoulement à l'intérieur du tronçon de tube 32, cette "coupure" commandant le système de sécurité et d'alarme Le dispositif ainsi décrit dans un mode de réalisation particulier présente une meilleure fiabilité, une plus grande précision et une plus grande simplicité que les dispositifs de pilote basse pression. REVENDICATIONS 1 - Dispositif détecteur de fuites en tête de puits pour puits pétrolier en pompage par tiges caractérisé en ce qu'il comporte une chambre (22) entourant la tige polie (12) au-dessus du presse-étoupe (13), ladite chambre (22) captant les fuites éventuelles de fluide du presse étoupe et étant munie d'un déversoir (32) permettant l'évacuation de l'écoulement desdites fuites de fluide, et en qu'il comporte également un moyen de détection (32,36) dudit écoulement. 2 - Dispositif détecteur de fuites en tête de puits pour puits pétrolier en pompage par tiges selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chambre (22) est reliée au presse-étoupe (13) par emboîtage de la partie inférieure de ladite chambre sur un manchon de liaison (28), qui s'emboîte lui-même sur la partie supérieure du presse étoupe (13) et laisse échapper les fuites éventuelles de fluides du presse-étoupe vers ladite chambre. 3 - Dispositif détecteur de fuites en tête de puits pour puits pétrolier en pompage par tiges selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit manchon de liaison (28) est emboité au presse-étoupe (13) au moyen d'un joint d'étanchéité (29) qui assure une étanchéité envers l'extérieur, toute fuite éventuelle du presse étoupe étant alors dirigée sur la chambre. 4 - Dispositif détecteur de fuites en tête de puits pour puits pétrolier en pompage par tiges selon la revendication 1 caractérisé en ce que le déversoir est constitué par un tronçon tubulaire (32) qui évacue l'écoulement des fuites éventuelles vers l'extérieur. 5 - Dispositif détecteur de fuites en tête de puits pour puits pétrolier en pompage par tiges selon la revendication 4 caractérisé en ce qu le dit tronçon tubulaire (32) est d'axe incliné vers le bas à partir de la périphérie de la chambre (22). 6 - Dispositif détecteur de fuites en tête de puits pour puits pétrolier en pompage par tiges selon la revendication 1 ou la revendication 4 caractérisé en ce que le moyen de détection (33,36) de l'écoulement des fuites éventuelles est prévu à la sortie du déversoir. 7 - Dispositif détecteur de fuites en tête de puits pour puits pétrolier en pompage par tiges selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit moyen de détection (33,36) est constitué par un volet basculant (33) sous l'effet de l'écoulement à la sortie du déversoir et un élément de détection (36) de ce basculement. 8 - Dispositif de fuites en tête de puits pour puits pétrolier en pompage par tiges selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit élément de détection du basculement du volet basculant (33) est un capteur de proximité (36). 9 - Dispositif détecteur de fuites en tête de puits pour puits pétrolier en pompage par tiges selon la revendication 8 caractérisé en ce que le capteur de proximité (36) émet un signal électrique que déclenche le système de sécurité ou d'alarme (37) associé au puits.