Brevet FR2667124A1 — publié le 19920327

SOUPAPE DE RETENUE A OBTURATEUR UNIQUE, A ECOULEMENT MAXIMUM La présente invention concerne une soupape de retenue et plus particulièrement une soupape de retenue à obturateur unique employée dans une unité de pompage pour pomper du pétrole brut et similaire, dans laquelle l'obturateur de soupape de la soupape de retenue est d'un type spécifique qui garantit une chute de pression10 minimum au travers de la soupape et ainsi un écoulement maximum par le corps de soupape. Dans l'industrie pétrolière, des pompes volumétriques sont utilisées dans de nombreuses applications comprenant le pompage du pétrole brut à15 partir de puits souterrains Des pompes volumétriques typiques utilisées dans l'industrie pétrolière emploient des soupapes d'admission et de refoulement qui sont typiquement des soupapes de retenue qui comprennent un siège de soupape sur lequel une bille20 repose et obture le siège de soupape Une pompe volumétrique typique est décrite par exemple dans le document de brevet US No 4 018 547. La structure d'une soupape de retenue typique est très efficace lorsque l'on pompe des liquides. Cependant, il a été observé que si une pompe volumétrique à mouvement alternatif est utilisée pour pomper un mélange biphasique, c'est-à-dire un mélange gaz-liquide, l'efficacité du pompage décroit rapidement à mesure que la teneur en gaz du mélange biphasique augmente Il est tout à fait courant dans l'industrie pétrolière, lorsque l'on pompe du brut à partir de puits souterrains, d'avoir du gaz entraîné dans le brut Dans le but de rendre maximum l'efficacité du pompage lorsque l'on pompe un mélange biphasique avec35 une pompe volumétrique à mouvement alternatif, il a été observé que des soupapes de retenue typiques comme précitées ne sont pas satisfaisantes. Afin d'augmenter l'efficacité de pompage, il a été observé que les soupapes employées devraient offrir une restriction minimum de l'écoulement au travers de celles-ci puisqu'une grande restriction produit un accroissement de la chute de pression au travers des soupapes qui à son tour provoque le passage d'une partie de la phase liquide du mélange biphasique dans la phase gazeuse, ce qui résulte en une diminution supplémentaire de l'efficacité de l'opération de pompage Ce phénomène se produit lorsque l'on emploie des pompes à mouvement alternatif de fond de trou pour extraire le pétrole à partir de réservoirs souterrains. * De plus, une condition critique connue telle que le blocage par gaz se produit couramment dans les opérations du domaine du pétrole et l'origine de ce phénomène peut être attribuée à une chute de pression excessive qui se produit dans des soupapes d'admission typiques de pompes à mouvement alternatif Le blocage par gaz est un phénomène dans lequel le travail mécanique effectué par la pompe souterraine est utilisé pour compresser et dilater de grandes bulles de gaz piégées à l'intérieur de la pompe sans qu'aucun pompage de pétrole brut soit effectué Une condition critique similaire connue telle que le blocage par vapeur ("vapeur-lock") se produit lorsque de la vapeur est injectée dans les puits afin de stimuler la récupération du brut. Naturellement, il serait très souhaitable de prévoir la construction d'une soupape de retenue améliorée qui minimiserait la chute de pression dans des soupapes d'admission et de refoulement d'une pompe volumétrique et ainsi rendrait maximal l'écoulement par le corps de soupape améliorant ainsi l'efficacité du pompage et l'élimination du blocage par gaz, blocage par vapeur et autres inconvénients notés ci- dessus eu égard aux soupapes de retenue typiques employées à ce jour. En conséquence, le principal objectif de la présente invention est de fournir une soupape de retenue dans laquelle la chute de pression au travers de la soupape est minimisée de sorte à assurer un 5 écoulement maximum par le corps de soupape. Un objectif particulier de la présente invention est de fournir une soupape de retenue comme précitée qui est une soupape de retenue à obturateur unique.10 Un objectif supplémentaire de la présente invention est de fournir une soupape de retenue à obturateur comme exposée ci-dessus qui est capable de fonctionner à tout angle d'inclinaison de fonctionnement.15 Un objectif supplémentaire de la présente invention est encore de fournir une soupape de retenue à obturateur unique comme précitée qui est de construction simple et de fabrication non coûteuse. D'autres objectifs et avantages de la présente invention apparaîtront ci-dessous. Selon la présente invention, les objectifs et avantages précédents sont aisément atteints. La présente invention est relative à une soupape de retenue à obturateur unique améliorée possédant une structure qui garantit une chute de pression minimum au travers de la soupape et ainsi un écoulement Maximum au travers de la soupape La présente invention concerne de plus un procédé pour pomper efficacement un mélange gazeux biphasique qui30 emploie la soupape de retenue à obturateur unique de la présente invention. Selon la présente invention, la soupape de retenue à obturateur unique comprend une partie de carter d'une configuration particulière En général, le35 carter de la soupape se présente sous la forme d'un tube cylindrique et, en conséquence, la présente invention sera décrite en détail en se référant à un carter cylindrique Cependant, on peut comprendre que toute autre configuration géométrique peut être employée Ainsi, lorsque l'on emploie un carter cylindrique, la soupape de retenue à obturateur unique 5 de la présente invention comprend un carter ayant un diamètre interne D 1 Un siège de soupape est situé dans le carter et définit une première aire d'écoulement annulaire A 1 pour le passage du mélange pompé au travers du siège de soupape Une butée est prévue dans10 le carter dans la région aval du siège de soupape et définit une chambre avec le carter et le siège de soupape Selon la présente invention, un obturateur de soupape est monté pour un mouvement alternatif dans la chambre lors du fonctionnement de la pompe volumétrique15 pour obturer et non obturer le siège de soupape. L'obturateur de soupape est construit d'une manière spécifique de sorte à minimiser la chute de pression au travers de la soupape et ainsi rendre maximum l'écoulement par le corps de soupape En conséquence,20 l'obturateur de soupape possède une partie d'un premier diamètre possédant un diamètre D 2 qui est adaptée à s'accoupler avec le siège de soupape pour obturer la première aire d'écoulement annulaire Ai lorsque la soupape est dans sa position fermée La partie de25 premier diamètre est dimensionnée de manière à ce qu'elle définisse avec le carter une aire d'écoulement annulaire A 2 qui est sensiblement au moins aussi grande que l'aire d'écoulement Ai définie par le siège de soupape En assurant la relation précédente entre les30 aires d'écoulement A 1 et A 2, la chute de pression au travers de la soupape est minimisée et l'écoulement par le corps de soupape est rendu maximum en correspondance Selon une caractéristique supplémentaire de la présente invention, le corps de35 soupape est muni d'une partie d'un second diamètre possédant un diamètre externe D 3 et un diamètre interne D 4 o le diamètre externe D 3 est sensiblement égal au diamètre interne Di du carter de soupape et D 4 définit une troisième aire d'écoulement annulaire A 3 La structure précédente assure que l'obturateur de soupape est convenablement guidé à l'intérieur du carter de 5 soupape permettant ainsi à la soupape de fonctionner efficacement à toutes les orientations choisies Le passage défini par le diamètre interne D 4 de la partie de second diamètre de l'obturateur de soupape est en communication avec l'espace annulaire A 2 au moyen d'un10 passage interne prévu dans l'obturateur de soupape. L'invention a également pour objet une soupape de retenue caractérisée en ce qu'elle comprend un carter possédant une première configuration géométrique, un siège fixé dans ledit carter, ledit15 siège définissant une première aire d'écoulement annulaire A 1, une butée fixée dans ledit carter et espacée dudit siège de sorte à définir une chambre avec ledit carter dans ledit siège, et un obturateur de soupape monté pour un mouvement alternatif dans ladite20 chambre, ledit obturateur de soupape possédant: ( 1) une première partie ( 22) adaptée à s'accoupler avec ledit siège ( 12) pour obturer ladite première aire d'écoulement annulaire A 1, cette première partie ( 22) définissant avec ledit carter ( 14) une25 seconde aire d'écoulement annulaire A 2, A 2 est sensiblement au moins aussi grande que Ai; ( 2) une seconde partie ( 26) possédant une configuration géométrique externe et un passage interne définissant une troisième aire d'écoulement annulaire30 A 3 o la configuration géométrique externe est sensiblement identique à la configuration géométrique dudit carter ( 14); et ( 3) un passage interne ( 30) reliant A 2 avec A 3 grâce auquel la chute de pression au travers de l'obturateur de soupape ( 20) est minimisée. Le procédé de la présente invention est relatif à un procédé pour pomper un mélange biphasique d'une manière efficace de sorte à éviter le phénomène de blocage par gaz noté ci-dessus Le procédé de la présente invention comprend le pompage d'un mélange biphasique par un système de pompage employant la 5 soupape de retenue à obturateur unique de la présente invention comme décrite ci-dessus. Ainsi le procédé pour le pompage d'un mélange biphasique est caractérisé en ce qu'il consiste à prévoir une pompe possédant une entrée et une sortie,10 logée dans lesdites entrée et sortie une soupape de retenue possédant un carter et présentant un diamètre interne D 1, un siège fixé audit carter, ce siège définissant une première aire d'écoulement annulaire A 1, une butée fixée dans ledit carter et espacée dudit15 siège de sorte à définir une chambre avec ce carter et ce siège, et un obturateur de soupape montée pour un mouvement alternatif dans ladite chambre, ledit obturateur de soupape possédant: ( 1) une partie de premier diamètre possédant un diamètre D 2 adaptée à s'accoupler avec ledit siège pour obturer la première aire d'écoulement annulaire A 1, cette partie de premier diamètre définissant avec ledit carter une seconde aire d'écoulement annulaire A 2, A 2 étant sensiblement au moins aussi grande que A 1;25 ( 2) une partie de second diamètre possédant un diamètre externe D 3 et un diamètre interne D 4 o D 3 est sensiblement égal à D 1 et D 4 définit une troisième aire d'écoulement annulaire A 3; et ( 3) un passage de forme non spécifiée reliant A 2 avec A 3 grâce auquel la chute de pression au travers de l'obturateur de soupape est minimisée et le phénomène de blocage par gaz est minimisé lors du pompage dudit mélange biphasique de l'entrée jusqu'à la sortie.35 En employant la soupape de retenue à obturateur unique de la présente invention, la chute de pression au travers de la soupape est minimisée rendant ainsi maximum l'écoulement par le corps de soupape ce qui résulte en une efficacité de pompage maximale tout en supprimant le blocage par gaz et le blocage par vapeur. 5 L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descritpion détaillée ci-après donnée à titre d'exemple illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale de la soupape de retenue à obturateur unique de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe de la soupape de retenue à obturateur unique de la présente invention selon la ligne 2-2 de la figure 1;15 la figure 3 est une vue en coupe de la soupape de retenue à obturateur unique de la présente invention selon la ligne 3-3 de la figure 1; la figure 4 est une vue en coupe de la soupape de retenue à obturateur unique de la présente invention selon la ligne 4-4 de la figure 1. En référence à la figure 1, une soupape de retenue à obturateur unique 10 comprend un siège de soupape 12 qui est fixé à un carter de soupape 14 Une butée 16 est espacée du siège de soupape 12 et en aval25 de celui-ci dans la direction de l'écoulement par la soupape de retenue, qui définit avec le siège de soupape 12 et le carter 14, une chambre 18 Un obturateur de soupape 20 est monté à l'intérieur de la chambre 18 pour un mouvement alternatif entre le siège30 de soupape 12 et la butée 16 pour obturer et non obturer le siège de soupape 12. L'obturateur de soupape 20 est muni d'une partie d'un premier diamètre 22 possédant un diamètre D 2 qui est adaptée à obturer le siège de soupape 12 de35 sorte à fermer le passage d'écoulement 24 défini par le siège de soupape 12 L'obturateur de soupape 20 comprend une partie de second diamètre 26 qui sert à guider le l'obturateur de soupape à l'intérieur de la chambre 18 La partie de second diamètre 26 possède un diamètre externe D 3 qui est dimensionné par rapport au diamètre interne Di du carter de sorte à minimiser tout 5 espace entre la partie de diamètre 26 et le carter 14 tout en permettant au même temps le mouvement libre de l'obturateur de soupape 20 dans la chambre 18 Par conséquent, en dimensionnant la partie de diamètre 26, l'obturateur de soupape 20 est guidé à l'intérieur de10 la chambre 18 tandis qu'en même temps l'écoulement de fluide entre la partie 26 et le carter 14 est minimisé. Cette structure assure que la soupape de retenue à obturateur unique de la présente invention peut être utilisée à toute orientation angulaire.15 L'obturateur de soupape 20 comprend de plus des ouvertures 28 dans la partie de premier diamètre qui communiquent avec un passage interne 30 possédant un diamètre D 4 pour faire communiquer le fluide qui passe par l'ouverture 24 dans le siège de soupape 1220 par le corps de soupape. Le passage interne définit une aire d'écoulement annulaire A 4, A 4 étant sensiblement aussi grande que A 2. En se référant en particulier aux figures 1 à 4, la structure spéciale de l'obturateur de soupape de la présente invention qui garantit une chute de pression minimum au travers la soupape et rend ainsi maximum l'écoulement par le corps de soupape est décrit Afin d'assurer la chute de pression minimum au30 travers de la soupape et rendre ainsi maximum l'écoulement par la soupape, une caractéristique particulière de la présente invention est que la partie de prei Rier diamètre 22 de l'obturateur de soupape 20 définit avec le logement de soupape 14 une aire35 d'écoulement annulaire, A 2 en figure 3, qui est sensiblement au moins aussi grande que l'aire d'écoulement annulaire, Ai en figure 4, défini par le siège de soupape 12 L'aire d'écoulement annulaire A 2 est égale à l'aire définie par le carter 14 moins l'aire de la partie de premier diamètre 22 de l'obturateur de soupape 20 Ainsi, l'aire d'écoulement annulaire A 2 est définie comme suit: A 2 = sf ()2 - l'aire d'écoulement A, est définie comme suit: A 1 2 en conséquence, comme Ai = A 2 ( 2) =(D 22) 2 2) En référence à la figure 1, on peut noter que D est égal au diamètre D 2 de la partie de premier diamètre 22 de l'obturateur 20 moins la surface de recouvrement ou d'obturation de la partie de diamètre 22 sur le siège de soupape ( 12) Ainsi D 2 = JD 2 D 5 2 ou D 5 =D 2 2 p En assurant la relation précédente, la chute de pression au travers de la soupape est minimisée et l'écoulement par le corps de soupape est rendu maximum.35 En plus de ce qui précède, l'aire d'écoulement définie par les ouvertures 28 et le passage interne 30 est de préférence sensiblement au moins égale en dimension aux aires d'écoulement A 1 et A 2 décrites ci-dessus En conséquence, l'aire d'écoulement des passages 28, A 4 sur la figure 2, et l'aire d'écoulement, A 3 sur la figure 2, du passage 5 interne 30, doit être sensiblement au moins aussi grande que les aires d'écoulement Ai et A 2 afin d'assurer une chute de pression minimum à mesure que le fluide pompé passe par ces ouvertures. Afin de rendre encore plus maximum l'efficacité de pompage, les surfaces de l'obturateur de soupape, du corps de soupape, du siège de soupape et de la butée de soupape qui sont en contact avec le fluide s'écoulant doivent être aussi lisses que possible de sorte à réduire le frottement et éviter15 ainsi toute chute de pression à mesure que le fluide passe sur ces surfaces De plus, les surfaces de l'obturateur de soupape et du corps de soupape qui-sont en contact chacune, à savoir, avec la partie de diamètre externe 26, doivent être recouvertes d'une20 substance à faible friction résistant à l'abrasion de sorte à réduire l'usure et assurer un fonctionnement efficace. En plus de ce qui précède, la surface d'obturation du siège (p) et l'obturateur de soupape ( 20) possèdent de préférence des formes correspondantes afin d'assurer une obturation convenable Afin de rendre maximum le contact convenable entre les surfaces d'obturation de l'obturateur de soupape 20 et du siège de soupape 12, il est souhaitable de former une surface30 d'obturation sous la forme de zones sphériques 32 et 34 et de préférence possédant un rayon de courbure égale au rayon du diamètre interne du carter de soupape 14. En prévoyant une soupape de retenue à obturateur unique comme précitée, la chute de pression au travers de la soupape est minimisée, rendant ainsi maximum l'écoulement par le corps de soupape, rendent ainsi maximum l'efficacité de pompage et supprimant le phénomène de blocage par gaz et/ou de blocage par vapeur. Il doit être compris que l'invention n'est pas limitée aux illustrations décrites et illustrées ici, qui illustrent simplement les meilleurs modes de réalisation de l'invention et qui sont susceptibles de modifications de forme, de dimension et de disposition des parties et des détails de fonctionnement. REVENDICATIONS 1 Soupape de retenue caractérisée en ce qu'elle comprend un carter ( 14) possédant un diamètre interne DI, un siège ( 12) fixé dans ledit carter ( 14), ledit siège ( 12) définissant une première aire d'écoulement annulaire AI, une butée ( 16) fixée dans ledit carter ( 14) et espacée dudit siège ( 12) de sorte10 à définir une chambre ( 18) avec ledit carter ( 14) et ledit siège ( 12) et un obturateur de soupape ( 20) monté pour un mouvement alternatif dans ladite chambre ( 18), ledit obturateur de soupape possédant: ( 1) une partie d'un premier diamètre ( 22) possédant un diamètre D 2 adaptée à s'accoupler avec ledit siège ( 12) pour obturer ladite première aire d'écoulement annulaire A 1, ladite partie de premier diamètre ( 22) définissant avec ledit carter ( 14) une seconde aire d'écoulement annulaire A 2, A 2 étant20 sensiblement au moins aussi grande que A 1; ( 2) une partie de second diamètre ( 26) possédant un diamètre externe D 3 et un diamètre interne D 4 o D 3 est sensiblement égal à Di et D 4 définit une troisième aire d'écoulement annulaire A 3; et25 ( 3) un passage ( 30) de forme non-spécifiée reliant A 2 avec A 3 grâce auquel la chute de pression au travers de l'obturateur de soupape ( 20) est minimisée. 2 Soupape de retenue selon la revendication 1, dans laquelle le passage interne ( 30) définit une aire d'écoulement annulaire A 4, A 4 étant sensiblement au moins aussi grande que A 2. 3 Soupape de retenue selon la revendication 2, dans laquelle A 1, A 2, A 3 et A 4 sont sensiblement des aires égales. 4 Soupape d'arrêt selon la revendication 1, dans laquelle AI possède un diamètre D o D 5 est inférieur à D 2 et D 2 D 5 = 2 p, p étant la surface d'obturation du siège. Soupape de retenue selon la revendication 4, dans laquelle la surface d'obturation du siège (p) et l'obturateur de soupape ( 20) possèdent des formes correspondantes afin d'assurer une obturation10 convenable. 6 Soupape de retenue selon la revendication 1, dans laquelle D 2 2 D 2 = D 1 D 5. 7 Soupape de retenue caractérisée en ce qu'elle comprend un carter ( 14) possédant une première configuration géométrique, un siège ( 12) fixé dans ledit carter ( 14), ledit siège ( 12) définissant une première aire d'écoulement annulaire A 1, une butée ( 16) fixée dans ledit carter ( 14) et espacée dudit siège ( 12) de sorte à définir une chambre ( 18) avec ledit carter dans ledit siège, et un obturateur de soupape ( 20) monté pour un mouvement alternatif dans ladite chambre, ledit obturateur de soupape ( 20) possédant: ( 1) une première partie ( 22) adaptée à s'accoupler avec ledit siège ( 12) pour obturer ladite première aire d'écoulement annulaire Ai, cette première partie ( 22) définissant avec ledit carter ( 14) une seconde aire d'écoulement annulaire A 2, A 2 est sensiblement au moins aussi grande que Ai; ( 2) une seconde partie ( 26) possédant une configuration géométrique externe et un passage interne définissant une troisième aire d'écoulement annulaire A 3 o la configuration géométrique externe est sensiblement identique à la configuration géométrique dudit carter ( 14); et ( 3) un passage interne ( 30) reliant A 2 avec A 3 grâce auquel la chute de pression au travers de l'obturateur de soupape ( 20) est minimisée. 8 Procédé pour le pompage d'un mélange biphasique, caractérisé en ce qu'il consiste à prévoir une pompe possédant une entrée et une sortie, logée10 dans lesdites entrée et sortie une soupape de retenue ( 10) possédant un carter ( 14) et présentant un diamètre interne D 1, un siège ( 12) fixé audit carter ( 14), ce siège ( 12) définissant une première aire d'écoulement annulaire A 1, une butée ( 16) fixée dans ledit carter15 ( 14) et espacée dudit siège ( 12) de sorte à définir une chambre ( 18) avec ce carter et ce siège, et un obturateur de soupape ( 20) montée pour un mouvement alternatif dans ladite chambre ( 18), ledit obturateur de soupape ( 20) possédant:20 ( 1) une partie de premier diamètre ( 22) possédant un diamètre D 2 adaptée à s'accoupler avec ledit siège ( 12) pour obturer la première aire d'écoulement annulaire A 1, cette partie de premier diamètre ( 22) définissant avec ledit carter ( 14) une25 seconde aire d'écoulement annulaire A 2, A 2 étant sensiblement au moins aussi grande que A 1; ( 2) une partie de second diamètre ( 26) possédant un diamètre externe D 3 et un diamètre interne D 4 o D 3 est sensiblement égal à D 1 et D 4 définit une30 troisième aire d'écoulement annulaire A 3; et ( 3) un passage ( 30) de forme non-spécifiée reliant A 2 avec A 3 grâce auquel la chute de pression au travers de l'obturateur de soupape ( 20) est minimisée et le phénomène de blocage par gaz est minimisé lors du35 pompage dudit mélange biphasique de l'entrée jusqu'à la sortie.