Brevet FR2841628A1 — publié le 20040102

SOUPAPE A CLAPET INCURVE Arrière-plan La présente demande revendique le bénéfice de la demande américaine provisoire n0 60/392673, déposée le 27 juin 2002. Domaine de l'invention La présente invention concerne les soupapes à clapet, notamment les soupapes à clapet utilisées pour les complétions de puits. Etat de la technique Les soupapes à clapet sont souvent utilisées dans les soupapes de sécurité en soussol. Les soupapes de sécurité en sous-sol sont utilisées dans des puits pour retenir les fluides d'un puits de forage, notamment en cas d'urgences susceptibles de poser un risque pour le personnel, l'équipement ou l'environnement. Résumé de l'invention La présente invention améliore les soupapes à clapet en proposant un clapet incurvé et un siège, le clapet et le siège présentant chacun des périmètres ondulés et amincis complémentaires, avec des surfaces d'étanchéité conçues pour préserver l'intégrité du joint étanche sous une pression plus élevée, pour un rapport diamètre extérieur/diamètre intérieur donné, par rapport aux soupapes à clapet de l'état de la technique. Description des figures La figure 1 est un dessin en perspective d'un sous-ensemble de soupape à clapet construit conformément à la présente invention. La figure 2A est un dessin schématique de l'état de la technique illustrant une orientation des surfaces d'étanchéité par rapport à une pression s'exerçant de l'extérieur. La figure 2B est un dessin schématique de l'état de la technique illustrant une autre orientation des surfaces d'étanchéité par rapport à une pression s'exerçant de l'extérieur. La figure 2C est un dessin schématique illustrant une orientation des surfaces d'étanchéité par rapport à une pression s'exerçant de l'extérieur, conformément à la présente invention. La figure 3 est un dessin en perspective d'une soupape à clapet construite conformément à la présente invention. La figure 4 est un dessin en perspective d'un sous-ensemble de soupape à clapet construit conformément à la présente invention. La figure 5 est un dessin en perspective illustrant une soupape à clapet construite conformément à la présente invention et faisant partie intégrale d'un ensemble de complétion. Description détaillée Les figures 1 et 3 illustrent un mode de réalisation d'une soupape à clapet 10. Dans ce mode de réalisation, la soupape à clapet 10 comprend un boîtier 12, un clapet 14 et un siège 16. Le boîtier 12 comprend un alésage 18 procurant un passage longitudinal le traversant. La soupape à clapet 10 est généralement installée à une certaine distance souhaitée en dessous du sol et fait partie d'un train de tiges (figure 5) utilisé pour acheminer des fluides entre un puits de forage et la surface de la terre. Le forage 18 est en communication fluide avec le passage intérieur des tiges de façon à forcer les fluides qui pénètrent dans une extrémité des tiges à traverser le forage 18 avant de sortir par l'extrémité opposée des tiges. Le clapet 14 dans le mode de réalisation de la figure 1 est un organe incurvé comprenant une surface haute pression 20 et une surface basse pression 22. Les termes " haute " et " basse " ont pour but d'indiquer la différence de pression de part et d'autre du clapet 14 lorsque le clapet 14 occupe une position fermée et empêche l'écoulement des fluides du puits de forage à la surface. Le clapet 14 comprend une charnière 24 permettant de le monter rotatif sur le boîtier 12. La charnière 24 permet au clapet 14 de pivoter entre une position ouverte et une position fermée. Le clapet 14 comprend également un doigt d'orientation 26 qui se prolonge radialement vers l'extérieur à l'opposé de la charnière 24. La surface haute pression 20 est incurvée pour épouser la courbure des tiges lorsque le clapet 14 occupe une position ouverte. Une surface d'étanchéité 28 de transition se prolonge entre la surface haute pression 20 et la surface basse pression 22. La surface d'étanchéité 28 peut s'amincir radialement vers l'intérieur ou l'extérieur, de la surface haute pression à la surface basse pression 22. Dans certains modes de réalisation, comme aux figures 1, 3 et 4, l'angle d'amincissement peut varier le long du périmètre du clapet 14. Le clapet 14 présente un périmètre ondulé. Le siège 16 se prolonge depuis l'intérieur du boîtier 12 de façon à s'aligner et à s'accoupler avec le clapet 14 lorsqu e clapet 14 occupe une position fermée. Le siège 16 comprend une surface d'étanchéité 30 conjuguée qui épouse la pente de la surface d'étanchéité 28 tout au long de la surface d'étanchéité 30. Le siège 16 1 5 présente un périmètre ondulé pour épouser celui du clapet 14. Le siège 16 comporte donc des sommets 32 et des creux 34. En service, la soupape à clapet 10 est d'ordinaire placée dans la position ouverte ou fermée. Lorsque la soupape à clapet 10 est placée dans la position ouverte, le clapet 14 est adjacent à une paroi intérieure des tiges. Comme la courbure de la surface haute pression 20 concide avec la courbure des tiges, le forage 18 n'est essentiellement pas bouché par le clapet 14. Ceci est particulièrement vrai lorsque le clapet 14 est maintenu contre les tiges par un tube d'écoulement (non illustré), comme cela est bien compris dans la technique. Lorsque la soupape à clapet 10 est placée dans la position fermée, normalement en déplaçant le tube d'écoulement et en laissant un ressort de poussée (non illustré) exercer une action sur le clapet 14 (ceci étant bien compris dans la technique), le clapet 14 pivote pour venir au contact du siège 16, en créant un joint étanche entre la soupape à clapet 10 et les surfaces d'étanchéité 28, 30 et en bloquant de fait l'écoulement à travers le forage 18. Le doigt d'orientation 26 engage une fente 31 (figure 3) dans le boîtier 12 pour faciliter l'alignement du clapet 14 sur le siège 16. Dans la position fermée, les fluides du puits de forage exercent une pression sur le clapet 14 et le siège 16. Dans certaines soupapes à clapet 10, le clapet 14 peut présenter une résistance structurelle supérieure à celle du siège 16. Dans d'autres soupapes à clapet 10, le siège 16 peut présenter une résistance structurelle supérieure à celle du clapet 14. Dans d'autres soupapes à clapet 10 encore, le clapet 14 et le siège 16 peuvent présenter des résistances structurelles comparables. Dans les cas o le siège 16 est relativement moins résistant que le clapet, l'effet de la pression est le plus grand à proximité des sommets 32 du siège 16, si bien que ceux-ci ont tendance à dévier radialement vers l'intérieur. Dans le présent contexte, l'expression " force d'écrasement " se rapporte à la force s'exerçant sur le siège 16 ou le clapet 14 pour faire dévier le composant concerné radialement vers l'intérieur. La pression exerce également une force nette sur le clapet 14 qui pousse le clapet 14 dans le siège 16. Les surfaces d'étanchéité amincies 28, 30 exercent une action réciproque. Si la surface d'étanchéité 30 présente une pente radiale vers l'intérieur, comme l'illustre la figure 2C, la force nette exercée par les fluides du puits de forage sur le clapet 14 est transmise aux surfaces d'étanchéité 28, 30 de telle sorte que le clapet 14 exerce une composante dirigée radialement vers l'extérieur sur le siège 16. Le clapet 14 s'oppose donc à la déviation radiale vers l'intérieur des sommets 32 du siège 16. Ceci permet de préserver l'alignement et l'accouplement corrects des surfaces d'étanchéité 28, 30 et donc de maintenir un joint étanche efficace. Dans les cas o le clapet 14 est relativement moins résistant que le siège, l'effet de la pression est le plus grand sur les parties du clapet 14 proches des creux 34 du siège 16, si bien que le clapet 14 a tendance à dévier radialement vers l'intérieur. Comme auparavant, la pression exerce également une force nette sur le clapet 14 qui pousse le clapet 14 dans le siège 16. Les surfaces d'étanchéité amincies 28, 30 exercent une action réciproque. Si la surface d'étanchéité 30 présente une pente radiale vers l'extérieur, comme l'illustre la figure 4 au voisinage des creux 34, le siège 16 s'oppose à la force dirigée radialement vers l'intérieur exercée par les fluides du puits de forage sur le clapet 14. Le siège 16 s'oppose donc à la déviation radiale vers l'intérieur du clapet 14 au voisinage des creux 34 du siège 16. Ceci permet de préserver l'alignement et l'accouplement corrects des surfaces d'étanchéité 28, 30 et donc de maintenir un joint étanche efficace. D'une façon analogue, la pression peut également avoir tendance à faire dévier le clapet 14 radialement vers l'intérieur, à proximité des sommets 32 du siège 16. Ainsi, dans certains modes de réalisation, il peut être souhaitable que le siège 16 présente un amincissement vers l'extérieur au niveau des sommets 32 de façon qu'il puisse soutenir le clapet 14 au niveau des sommets 32. Dans les cas o le clapet 14 et le siège 16 présentent une résistance structurelle comparable, l'effet de la pression est le plus grand à proximité des sommets 32 du siège 16, si bien que ceux-ci ont tendance à dévier radialement vers l'intérieur, et sur les parties du clapet 14 proches des creux 34 du siège 16, si bien que le clapet 14 a tendance à dévier radialement vers l'intérieur. La pression exerce également une force nette sur le clapet 14 qui pousse le clapet 14 dans le siège 16. Les surfaces d'étanchéité amincies 28, 30 exercent une action réciproque et le clapet 14 et le siège 16 se soutiennent mutuellement à l'encontre de la pression. Plus particulièrement, si la surface d'étanchéité 30 présente une pente radiale vers l'intérieur au voisinage des sommets 32 et radiale vers l'extérieur au voisinage des creux 34, le siège 16 est soutenu, au voisinage des sommets 32, par le clapet 14 et le clapet 14 est soutenu, au voisinage des creux 34, par le siège 16. Ceci permet de préserver l'alignement et l'accouplement corrects des surfaces d'étanchéité 28, 30 et donc de maintenir un joint étanche efficace. On notera que, dans certains modes de réalisation, le clapet peut être relativement moins résistant au niveau de certaines parties de la circonférence, et le clapet peut être relativement moins résistant au niveau d'autres parties. D'autres facteurs peuvent également affecter l'amincissement des surfaces d'étanchéité. Il s'ensuit que de nombreux autres modes de réalisation sont possibles. A titre d'exemple, dans un mode de réalisation, le siège soutient une partie du clapet (par ex. une partie particulièrement sensible à la déviation radiale). Dans un autre exemple, le siège soutient le clapet au niveau d'une partie de la circonférence et le clapet soutient le siège au niveau d'une autre partie. Aux figures 2A, 2B et 2C, les flèches représentent la pression exercée par les fluides du puits de forage. A la figure 2C, les surfaces d'étanchéité s'amincissent radialement vers l'intérieur du côté haute pression du clapet au côté basse pression. Le clapet s'oppose donc à la déformation du siège et vice versa. La figure 2B illustre une orientation clapet/siège neutre. Dans ce cas, les forces transmises entre les éléments s'exercent toutes dans une direction longitudinale. Les éléments ne bénéficient donc d'aucun soutien latéral, par exemple au niveau des sommets de soupapes à clapet classiques. A la figure 2A, les surfaces d'étanchéité s'amincissent radialement vers l'extérieur du côté haute pression du clapet au côté basse pression. La force exercée par le clapet a donc tendance à déformer le siège dans la même direction que la pression, ce qui contribue à l'écrasement du siège dans le cas d'un siège 16 relativement peu résistant. La figure 4 illustre un mode de réalisation d'un sous-ensemble de soupape à clapet dans lequel le clapet 14 et le siège 16 présentent des surfaces d'étanchéité 28, 30 conçues pour se soutenir mutuellement et réciproquement à l'encontre des forces d'écrasement exercées par les fluides du puits de forage sur le clapet 14 et le siège 16. L'angle d'amincissement peut varier entre un angle externe, l'amincissement se prolongeant alors radialement vers l'extérieur de la surface haute pression 20 à la surface basse pression 22 au niveau des creux 34, et un angle interne, l'amincissement se prolongeant alors radialement vers l'intérieur de la surface haute pression 20 à la surface basse pression 22 au niveau des sommets 32. Dans d'autres modes de réalisation, l'angle d'amincissement peut varier entre un angle interne au niveau des creux 34 et un angle externe au niveau des sommets 32. Ces angles sont illustrés aux figures 2A et 2C. La figure 2C illustre un angle interne " A " mesuré à partir d'une référence horizontale ou radiale. La figure 2A illustre un angle externe " B " également mesurée à partir d'une référence horizontale ou radiale. Selon les résistances relatives des matériaux et d'autres caractéristiques de conception, certains modes de réalisation ont donné des résultats avantageux si l'angle d'amincissement au niveau du sommet 32 varie entre un angle externe de cinq degrés et un angle interne de soixante degrés, et si l'angle d'amincissement au niveau du creux 34 varie entre un angle externe de trente degrés et un angle interne de soixante degrés. Les angles d'amincissement de chaque mode de réalisation sont choisis à la lumière de la discussion qui précède. Le clapet et le siège peuvent être formés à l'aide d'un procédé d'usinage par décharge électrique à fil, un procédé d'usinage par décharge électrique à piston ou plongeur, par fraisage ou par combinaison de ces techniques. Bien que seuls quelques modes de réalisation illustratifs de la présente invention soient décrits en détail ci-dessus, l'homme de métier comprendra aisément qu'il est possible d'apporter de nombreuses modifications aux modes de réalisation illustratifs sans s'écarter matériellement des enseignements et des avantages innovants de la présente invention. Il est donc entendu que toutes ces modifications rentrent dans le cadre de la présente invention, tel que défini dans les revendications qui suivent. La demanderesse n'a aucunement l'intention d'invoquer 35 U.S.C. 112, paragraphe 6 pour une quelconque limitation des revendications jointes, si ce n'est celles pour lesquelles la revendication utilise expressément les termes " associée. Revendications 1. Soupape à clapet destinée à être déployée dans un puits de forage, comprenant: a) un boîtier; b) un alésage traversant le boîtier et comportant un axe longitudinal; c) un clapet incurvé connecté par charnière au boîtier et susceptible de pivoter entre une position ouverte pour permettre l'écoulement à travers l'alésage et une position fermée pour empêcher l'écoulement à travers l'alésage, le clapet présentant une première surface d'étanchéité; d) un siège à l'intérieur du boîtier, le siège présentant une deuxième surface d'étanchéité épousant sensiblement la première surface d'étanchéité et sur laquelle la première surface d'étanchéité vient s'appuyer lorsque le clapet occupe la position fermée; et dans laquelle e) les première et deuxième surfaces présentent un amincissement variable de sorte qu'une force d'appui exercée par la première surface sur la deuxième surface comporte, le long d'une première partie des surfaces d'étanchéité, une première composante dirigée radialement vers l'intérieur par rapport à l'axe longitudinal et, le long d'une deuxième partie des surfaces d'étanchéité, une deuxième composante dirigée radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe longitudinal. 2. Soupape selon la revendication 1, dans laquelle l'amplitude de la première composante est maximale au niveau de creux du siège. 3. Soupape selon la revendication 1, dans laquelle l'amplitude de la deuxième composante est maximale au niveau de sommets du siège. 4. Soupape selon la revendication 1, dans laquelle l'angle d'amincissement de la première surface d'étanchéité s'accouplant au niveau d'un sommet du siège est compris entre un angle externe de cinq degrés et un angle interne de soixante degrés par rapport à une droite perpendiculaire à l'axe longitudinal, et l'angle d'amincissement de la première surface d'étanchéité s'accouplant au niveau d'un creux du siège est compris entre un angle externe de trente degrés et un angle interne de soixante degrés par rapport à une droite perpendiculaire à l'axe longitudinal. 5. Soupape selon la revendication 1, dans laquelle la deuxième surface s'amincit radialement vers l'intérieur au niveau et au voisinage de sommets dans le siège, et la deuxième surface s'amincit radialement vers l'extérieur s au niveau et au voisinage de creux du siège. 6. Soupape selon la revendication 1, dans laquelle la deuxième surface s'amincit radialement vers l'intérieur au niveau et au voisinage de creux du siège, et la deuxième surface d'étanchéité s'amincit radialement vers l'extérieur au niveau et au voisinage de sommets du siège. 7. Soupape selon la revendication 1, comprenant en outre un doigt d'orientation sur le clapet. i 5 8. Soupape à clapet destinée à être déployée dans un puits de forage comportant des fluides de puits de forage, comprenant: a) un boîtier traversé par un alésage autour d'un axe longitudinal; b) un clapet présentant un premier périmètre annulaire ondulé et aminci, le clapet pouvant pivoter dans le boîtier; et c) un siège dans le boîtier présentant un deuxième périmètre annulaire ondulé et aminci épousant sensiblement le premier périmètre annulaire et en engagement étanche avec le premier périmètre annulaire lorsque le clapet occupe une position fermée de telle sorte que le clapet s'oppose aux forces d'écrasement exercées par les fluides du puits de forage sur le siège. 9. Soupape selon la revendication 8, dans laquelle le clapet assure un soutien maximal aux sommets du siège. 10. Soupape selon la revendication 8, dans laquelle l'angle d'amincissement du premier périmètre annulaire s'accouplant au niveau d'un sommet du siège est compris entre un angle interne supérieur à zéro degré et un angle interne de soixante degrés par rapport à une droite perpendiculaire à l'axe longitudinal, et l'angle d'amincissement du premier périmètre annulaire s'accouplant au niveau d'un creux du siège est compris entre un angle interne supérieur à zéro degré et un angle interne de soixante degrés par rapport à une droite perpendiculaire à l'axe longitudinal. 1I. Soupape selon la revendication 8, comprenant en outre un doigt d'orientation sur le clapet. 12. Soupape à clapet destinée à être déployée dans un puits de forage comportant des fluides de puits de forage, comprenant: a) un boîtier traversé par un alésage autour d'un axe longitudinal; b) un clapet présentant un premier périmètre annulaire ondulé et aminci, le clapet pouvant pivoter dans le boîtier; et c) un siège dans le boîtier présentant un deuxième périmètre annulaire o 0 ondulé et aminci épousant sensiblement le premier périmètre annulaire et en engagement étanche avec le premier périmètre annulaire lorsque le clapet occupe une position fermée de telle sorte que le siège s'oppose aux forces d'écrasement exercées par les fluides du puits de forage sur le clapet. 13. Soupape selon la revendication 12, dans laquelle le siège assure un soutien maximal au clapet au voisinage d'un creux du siège. 14. Soupape selon la revendication 12, dans laquelle l'angle d'amincissement du premier périmètre annulaire s'accouplant au niveau d'un sommet du siège est compris entre un angle externe supérieur à zéro degré et un angle externe de soixante degrés par rapport à une droite perpendiculaire à l'axe longitudinal, et l'angle d'amincissement du premier périmètre annulaire s'accouplant au niveau d'un creux du siège est compris entre un angle externe supérieur à zéro degré et un angle externe de soixante degrés par rapport à une droite perpendiculaire à l'axe longitudinal. 15. Soupape selon la revendication 12, dans laquelle le clapet et le siège s'opposent à une déviation radiale relative le long d'au moins une partie des premier et deuxième périmètres. 16. Soupape selon la revendication 12, comprenant en outre un doigt d'orientation sur le clapet. 17. Soupape à clapet destinée à être déployée dans un puits de forage comportant des fluides de puits de forage, comprenant: a) un boîtier traversé par un alésage autour d'un axe longitudinal; b) un clapet présentant un premier périmètre annulaire ondulé et aminci, le clapet pouvant pivoter dans le boîtier; et c) un siège dans le boîtier présentant un deuxième périmètre annulaire ondulé et aminci épousant sensiblement le premier périmètre annulaire et en engagement étanche avec le premier périmètre annulaire lorsque le clapet occupe une position fermée de telle sorte que le clapet et le siège s'opposent mutuellement et réciproquement aux forces d'écrasement exercées par les fluides du puits de forage sur le clapet et le siège. 18. Soupape selon la revendication 17, dans laquelle le clapet assure un soutien maximal aux sommets du siège. 19. Soupape selon la revendication 18, dans laquelle le siège assure un soutien maximal au clapet au voisinage d'un creux du siège. 20. Soupape selon la revendication 17, dans laquelle le siège assure un 1 5 soutien maximal au clapet au voisinage d'un creux du siège. 21. Soupape à clapet selon la revendication 17, dans laquelle l'angle d'amincissement du premier périmètre annulaire s'accouplant au niveau d'un sommrne du siège est compris entre un angle externe supérieur à cinq degrés et un angle interne de soixante degrés par rapport à une droite perpendiculaire à l'axe longitudinal, et l'angle d'amincissement du premier périmètre annulaire s'accouplant au niveau d'un creux du siège est compris entre un angle externe de trente degrés et un angle interne de soixante degrés par rapport à une droite perpendiculaire à l'axe longitudinal. 22. Soupape à clapet selon la revendication 17, comprenant en outre un doigt d'orientation sur le clapet. 23. Sous-ensemble de soupape à clapet destiné à être déployé dans un puits de forage, comprenant: a) un clapet présentant une surface haute pression, une surface basse pression et une surface d'étanchéité ondulée se prolongeant entre les surfaces haute et basse pression, la surface d'étanchéité présentant un amincissement variable de la surface haute pression à la surface basse pression; b) un siège présentant une surface d'étanchéité conjugée épousant sensiblement la surface d'étanchéité du clapet, et dans laquelle c) l'angle d'amincissement de la première surface d'étanchéité s'accouplant au niveau d'un sommet du siège est compris entre un angle externe supérieur à cinq degrés et un angle interne de soixante degrés par rapport à une droite perpendiculaire à l'axe longitudinal, et l'angle d'amincissement de la première surface d'étanchéité s'accouplant au niveau d'un creux du siège est compris entre un angle externe de trente degrés et un angle interne de soixante degrés par rapport à une droite perpendiculaire à l'axe longitudinal. 24. Procédé visant à réduire la déviation relative d'un clapet et d'un siège dans une soupape à clapet, le clapet et le siège présentant des surfaces d'étanchéité conjuguée, le procédé comprenant: a) l'amincissement radialement vers l'intérieur, radialement vers l'extérieur, ou une combinaison des deux, d'au moins une partie des surfaces d'étanchéité, de sorte que le clapet soutienne le siège, le siège soutienne le clapet ou le clapet et le siège se soutiennent mutuellement et réciproquement pour s'opposer aux forces d'écrasement exercées par les fluides d'un puits de forage.