Brevet FR2695450A1 — publié le 19940311

La présente invention est relative à une cartouche destinée à être montée dans le tubage d'un puits en cours d'exploitation, notamment d'un puits de pétrole, ce afin de contrôler et de commander la fermeture d'une vanne de sécu- rité située à une certaine profondeur dans le tubage déli- vrant le fluide exploité. L'un des objets de l'invention est d'assurer, en cas de nécessité, la fermeture automatique et rapide d'une telle vanne Cette vanne peut être une vanne à opercule, dite "vanne frapper", ou tout autre type de vanne utilisée dans les puits pétroliers, par exemple une vanne a boisseau sphérique. Un autre objet de l'invention est de pouvoir de- puis le sol, ou depuis une plateforme en mer, assurer volon- tairement, notamment avec ou sans code d'accès, la manoeuvre de fermeture d'une vanne située à une profondeur relative- ment importante. Dans un puits de forage, notamment lors de l'ex- ploitation du pétrole, il peut être nécessaire, aussi bien par raison de sécurité que pour lutter contre la pollution de l'environnement, d'assurer soit la fermeture volontaire rapide, soit la fermeture automatique d'une telle vanne de sécurité, notamment pour éviter par exemple le désastre oc- casionné, par le déversement en milieu marin, du pétrole ex- ploité depuis une plateforme de forage en mer. La présente invention apporte une solution à cet important problème et elle vise la réalisation d'une unité de contrôle et de commande de la fermeture d'une vanne de sécurité montée dans le tubage d'un puits en cours d'exploi- tation. Selon une caractéristique essentielle de l'inven- tion, la cartouche de contrôle et de commande, qui est insé- rable prévu dans le tubage d'un puits pétrolier et qui com- porte, mécaniquement et fonctionnellement couplés les uns aux autres, un mandrin d'assemblage, un carter, un récepteur de signaux de commande envoyés depuis la surface sous forme de signaux électromagnétiques ou sous forme de signaux acoustiques véhiculés par le fluide se trouvant dans l'annu- laire du tubage du puits, un jeu de batteries électriques d'alimentation, un dispositif électronique de contrôle et de commande, des organes de branchement pour délivrer le cou- rant aux organes afférents et des signaux de commande codés ou non, est pourvue d'une pompe hydraulique qui peut être entraînée par un motoréducteur et est montée immergée dans un réservoir à huile bassepression, dont le conduit de refoulement aboutit dans un second réservoir à huile haute- pression, qui constitue un vérin immergé dans le réservoir basse- pression et dont le piston agit, à la fin de sa course de sortie, sur le ressort de maintien en position ouverte de la vanne de sécurité. Selon une autre caractéristique de l'invention, le réservoir à huile haute-pression du vérin est relié au ré- servoir à huile basse-pression par une tubulure comportant à son extrémité libre un embout constituant un siège qui est obturé par une pièce d'étanchéité soumise à l'action d'un ressort qui, lorsqu'un électro-aimant est alimenté en cou- rant, se trouve comprimé par la tige d'un noyau ferro-magné- tique déplaçable dans une bobine constituant l'électro- aimant et presse la pièce d'étanchéité contre le siège de l'embout prévu à l'extrémité libre de la tubulure de refou- lement du réservoir à huile haute-pression. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en regard des dessins annexés qui représentent, schématique- ment et simplement à titre d'exemple, un mode de réalisation de la cartouche de contrôle et de commande d'une vanne à opercule par un signal électro-magnétique EM envoyé depuis la surface. Sur ces dessins La Fig 1 est une vue schématique en élévation, partie en coupe, de la cartouche conforme à l'invention, in- sérée dans le tubage d'un puits pétrolier contrôlé par une vanne à opercule représentée en position d'ouverture. La Fig 2 est également une vue schématique partielle en élévation, illustrant de façon simplifiée la liai- son hydraulique des réservoirs à huile basse et haute-pression lorsqu'un courant (i différent de zéro) alimente l'électro-aimant. La Fig 3 est une vue analogue à celle de la figure 2, mon- trant la liaison hydraulique ouverte des réser- voirs à huile basse et haute-pression lorsqu'aucun courant (i = 0) n'alimente l'électro-aimant. Comme on l'a indiqué, la cartouche de contrôle et de commande conforme à l'invention est réalisée sous la for- me d'une cartouche longiligne, désignée dans son ensemble par la référence 1, et destinée à être insérée et fixée au dessous d'un packer dans un tubage non spécialement repré- senté. Cette cartouche 1 comporte à sa partie supérieure, en vue de sa fixation, un mandrin d'assemblage cylindrique 2 relié au carter 3 proprement dit de la cartouche Depuis sa partie supérieure, la cartouche 1 présente les différents organes nécessaires à son fonctionnement, à savoir un récep- teur électro-magnétique désigné dans son ensemble par la ré- férence 4, ledit récepteur étant constitué, dans le mode de réalisation choisi, par une antenne 5 placée dans le tubage et recevant les signaux émis en surface, par un coupleur magnétique 6 permettant de coupler sans contact l'antenne 5 et le récepteur 4 de la cartouche, l'antenne 5 étant reliée au coupleur 6 par un câble 7 La cartouche comprend aussi un jeu de batteries 8 destiné à alimenter notamment un disposi- tif électronique 9 et un motoréducteur 10 servant à l'en- trainement, par l'intermédiaire de son arbre de sortie 11, d'une pompe hydraulique 12 immergée dans un réservoir basse- pression 13. Cette pompe hydraulique 12 présente une tubulure de refoulement 14 aboutissant à un réservoir haute-pression 15 constituant un vérin dont la tige 16 est contrôlée par un capteur de position 17, ladite tige de vérin pouvant venir prendre appui sur l'élément frontal 18 d'une coiffe 19 englobant un ressort 20 associé à une vanne 21 à opercule destinée à venir obturer le tubage pour interrompre l'ex- ploitation du fluide prélevé. Le capteur de position 17 permet d'arrêter la pom- pe 12 lorsque la tige 16 du vérin est arrivée en fin de course et de relancer ladite pompe lorsque la tige 16 du vérin a tendance à reculer; par exemple, comme on peut le voir schématiquement sur le dessin, il est prévu, au niveau du moto-réducteur 10, une membrane d'équilibrage de pression ayant la forme d'un manchon 22. Aux figures 2 et 3, o ne sont repris que les élé- ments nécessaires pour comprendre le fonctionnement de la cartouche de contrôle et de commande de la fermeture de la vanne 21 à opercule, on a représenté deux cas de fonctionne- ment, à savoir l'état d'ouverture de la vanne a opercule et son état de fermeture. A la figure 2, on voit qu'il est possible à l'ai- de d'un train d'ondes électromagnétiques "T" agissant sur le coupleur inductif 6 relié par des conducteurs 7 à une carte de contrôle 23 susceptible de lire également un signal codé permettant, à partir du système d'alimentation électrique 8 et de la carte de commande 9 de la cartouche, de fournir un courant aboutissant aux cosses de branchement 24 et 25 d'un électro-aimant désigné dans son ensemble par la référence 26. Cet électro-aimant 26 est constitué par un solé- noïde 27 et un noyau magnétique 28 agissant par l'intermé- diaire d'un ressort de pression 29 sur un organe d'étanchéi- té 30 logé dans un siège 31 prévu a l'extrémité d'un conduit de refoulement 32 que comporte le réservoir 15 à huile hau- te-pression dans lequel peut se déplacer la tige de vérin 16 agissant indirectement sur la vanne à opercule 21 non repré- sentée ici. A la figure 3, qui est sensiblement identique à celle de la figure 2, sauf qu'elle illustre l'état de ferme- ture de la vanne à opercule lorsque la carte de contrôle ne reçoit aucun signal, on peut voir que cette carte interrompt le passage d'un courant d'alimentation dans l'électro- aimant Dans ce cas le fluide haute-pression du réservoir 15 2695450 peut s'échapper par le conduit 32 dans le réservoir à basse- pression 13, l'organe d'étanchéité 30 étant dégagé de son siège 31 sous l'effet de la détente du ressort 29 due au re- cul du noyau magnétique 28 de l'électro-aimant 26 Dans ce cas, on voit donc qu'en cas de panne quelconque de la car- touche la vanne de sécurité à opercule se trouve automati- quement amenée en position de fermeture. Selon une autre caractéristique de l'invention, et pour affiner le fonctionnement de la cartouche, il est prévu que le capteur de position ou détecteur de fin de course 14 permet d'une part d'interrompre l'avance de la tige 16 du vérin lorsque la vanne est totalement ouverte et qu'il rem- plit d'autre part la fonction de compensation automatique de fuites du réservoir 15 à haute-pression, l'un des organes de contrôle de la carte électronique permettant de fixer un seuil au-delà duquel la pompe 12 est réactivée pour rétablir la position initiale. Il va de soi que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre purement explicatif, nullement limi- tatif et que diverses modifications de détail pourraient être apportées à la forme de réalisation apportée sans qu'on sorte pour autant du domaine de l'invention C'est ainsi, par exemple, que le système de commande illustré et décrit pourrait être utilisé pour la manoeuvre de tout organe sus- ceptible de se déplacer sous l'effet de la pression hydrau- lique et s'appliquer, en particulier, à d'autres types de vannes De même, les signaux de commande émis en surface peuvent être de nature acoustique, véhiculés par le fluide contenu dans l'annulaire entourant le tubage Ils sont reçus par un coupleur de signaux acoustiques et retransmis, sans contact, à la cartouche de commande. R E V E N D I C A T I O N S 1 Cartouche ( 1) de contrôle et de commande, qui est insérable au- dessous du packer prévu dans le tubage d'un puits pétrolier et qui comporte, mécaniquement et fonction- nellement couplés les uns aux autres, un mandrin d'assembla- ge ( 2), un carter ( 3), un récepteur électromagnétique ( 4), un jeu de batteries électriques ( 8) d'alimentation, un dis- positif électronique ( 9) de contrôle et de commande, des or- ganes de branchement pour délivrer le courant aux organes afférents et des signaux de commande codés ou non, ladite cartouche étant caractérisée par le fait qu'elle est pourvue d'une pompe hydraulique ( 12) qui peut être entraînée par un motoréducteur ( 10) et est montée immergée dans un ré- servoir ( 13) à huile basse-pression, dont le conduit de re- foulement ( 14) aboutit dans un second réservoir ( 15) à huile haute-pression, qui constitue un vérin immergé dans le ré- servoir basse-pression ( 13) et dont la tige de piston ( 16) agit, à la fin de sa course de sortie, sur le ressort ( 20) de maintien en position ouverte de la vanne ( 21) à opercule. 2 Cartouche de contrôle et de commande selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le réservoir à huile haute- pression ( 15) du vérin est relié au réservoir à huile basse- -pression ( 13) par une tubulure ( 32) comportant à son extré- mité libre un embout ( 31) constituant un siège qui est obtu- ré par une pièce d'étanchéité ( 30) soumise à l'action d'un ressort ( 29) qui, lorsqu'un électro-aimant de manoeuvre ( 26) est alimenté en courant, se trouve comprimé par la tige d'un noyau ferro-magnétique ( 28) déplaçable dans une bobine ( 27) constituant l'électro-aimant proprement dite et presse la pièce d'étanchéité ( 30) contre le siège ou embout ( 31) prévu à l'extrémité libre de la tubulure ( 32) de refoulement du réservoir ( 15) à huile haute-pression. 3 Cartouche de contrôle et de commande selon les revendications 1 et 2, caractérisée par le fait qu'il est prévu une carte de con- trôle ( 23) susceptible de lire également un signal codé per- mettant, à partir du système d'alimentation électrique ( 6) de la cartouche ( 1), de fournir un courant aboutissant aux cosses de branchement ( 24 et 25) de l'électro-aimant. 4 Cartouche de contrôle et de commande selon les revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que l'électro-aimant ( 26) comporte un solénoïde ( 27) et un noyau magnétique ( 28) agissant, par l'intermédiaire d'un ressort de pression ( 29) sur un organe d'étanchéité ( 30) logé dans un siège ( 31) prévu à l'extrémi- té d'un conduit de refoulement ( 32) que comporte le réser- voir ( 15) à huile haute-pression, dans lequel peut se dépla- cer la tige ( 16) de vérin agissant indirectement sur la van- ne à opercule ( 21). 5 Cartouche de contrôle et de commande selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le capteur de position ou dé- tecteur de fin de course ( 14) permet d'une part d'interrom- pre l'avance de la tige ( 16) du vérin lorsque la vanne est totalement ouverte et qu'il remplit d'autre part également la fonction de compensation automatique de fuites du réser- voir ( 15) à haute-pression, l'un des organes de contrôle de la carte électronique permettant de fixer un seuil au-delà duquel la pompe ( 12) est réactivée pour rétablir la position initiale.