Brevet FR2848242A1 — publié le 20040611

DISPOSITIF DE CONTROLE DE DEBIT DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rapporte à des dispositifs de contrôle de débit, tels que des duses pour des puits d'hydrocarbure. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE Dans un puits d'hydrocarbure, les duses contrôlent l'écoulement de fluide dans les tubes de production depuis le tube de forage ou dans les zones de tubes de forage depuis les tubes de production. Conventionnellement, de telles 10 duses sont des simples dispositifs arrêt/marche qui ouvrent ou ferment complètement les tubes de production Il est apparu récemment une nécessité pour un contrôle de débit variable qui a donné naissance à des problèmes particuliers. Une duse de contrôle de débit variable conventionnel est illustrée dans le dessin schématique de la figure la. Les caractéristiques de base de ces dispositifs sont un manchon extérieur 1 et un manchon intérieur 2, chacun présentant des ensembles 3,4 d'ouverture situés sur leur circonférence respective. Le manchon extérieur 1 peut être partie intégrante d'une section de tubes de production. Le manchon intérieur 2 est déplaçable par glissement au moyen d'un actionneur (non représenté). La figure 20 la montre la position des manchons en position "fermée". Les figures Ib et Ic montrent les positions relatives des manchons dans deux différentes positions "ouverte", partiellement ouverte et entièrement ouverte, respectivement. Les flèches des figures lb et lc représentent l'écoulement du fluide depuis le tube de forage dans les tubes de production à travers les ouvertures 3,4. Des joints annulaires 5, 6 et 7 sont placés entre les manchons intérieur et extérieur 2 et 1. Ces joints séparent l'espace annulaire entre les manchons intérieur et extérieur en chambres, tout en permettant au manchon intérieur de se mouvoir librement. Par exemple, il y a une chambre annulaire 8 entre les joints 6 et 7, chambre qui comprend les ouvertures 3 dans le manchon extérieur 1. L'activation de l'actionneur provoque le déplacement du manchon intérieur 2 dans le sens des flèches illustrées à la figure la. La figure lb montre l'appareil de la figure la dans une position ouverte partielle, alors que les ouvertures 4 du manchon intérieur empiètent sur la chambre 8 et laissent ainsi le passage à un écoulement. Dans la position entièrement ouverture de la figure lc, les ouvertures 4 du manchon intérieur sont situées entièrement à l'intérieur de la chambre 8. Divers problèmes peuvent se poser avec ce type conventionnel de dispositif de contrôle de débit. Par exemple, lorsque le dispositif entre en position "ouverte", la pression sur un côté du joint tend à le distordre et à l'extruder dans la direction de l'écoulement du fluide. Ainsi, dans l'exemple illustré à la figure la, le joint 6 tend à être extrudé dans l'ouverture du manchon intérieur. Si l'écoulement du 10 liquide est dans la direction opposée, c'est-à-dire depuis les tubes de production dans le tube de forage, ce joint tend à être extrudé dans l'espace annulaire entre les manchons. Un autre problème avec ce type de dispositif de contrôle de débit est que, au point de l'ouverture, le fluide s'écoule très rapidement à travers les 15 ouvertures, et à haute pression, avec le résultat que le joint 6 peut être endommagé ou tiré vers l'ouverture 4 du manchon intérieur. La haute vitesse du débit de fluide dans la position "juste ouverte" de la figure lb peut aussi causer un autre problème, à savoir l'érosion des bords des ouvertures, particulièrement lorsque le fluide est contaminé avec des particules 20 solides telles que du sable. Un autre problème encore peut être rencontré avec les dispositifs de contrôle de débit conventionnels est que l'augmentation du débit d'écoulement du fluide n'est pas linéaire avec le mouvement linéaire du tube et qu'un contrôle précis d'un débit variable est difficile, particulièrement taux faibles débits. SOMMAIRE DE L'INVENTION L'invention propose un dispositif de contrôle de débit, comprenant un manchon extérieur présentant une paroi de manchon extérieur et au moins une ouverture à travers la paroi du manchon extérieur, un manchon intérieur présentant une paroi de manchon intérieur et au moins une ouverture à travers la paroi du 30 manchon intérieur et des moyens pour fournir un mouvement relatif en glissement des manchons entre les positions "ouvertes" permettant à un débit variable de fluide de passer à travers les ouvertures des manchons et une position "fermée", de telle sorte que le mouvement relatif des manchons produise l'ouverture variable à travers laquelle le fluide peut s'écouler, les ouvertures étant arrangées de telle façon que le changement dans le coefficient de vélocité (CV) du fluide s'écoulant au travers des ouvertures provoquées par un changement dans le déplacement relatif 5 des manchons est sensiblement proportionnel à ce changement de déplacement relatif. Une des manchons peut avoir une pluralité d'ouvertures, la somme des largeurs de ces ouvertures le long du manchon augmentant sensiblement exponentiellement dans la direction de l'écoulement du fluide. La largeur d'au moins une des ouvertures peut augmenter dans la direction de l'écoulement du fluide. Dans ce cas, la largeur d'une des ouvertures au moins peut augmenter sensiblement exponentiellement dans la direction de l'écoulement du fluide. Au moins une des ouvertures d'un des manchons peut avoir une 15 longueur différente de l'autre des ouvertures. Dans ce cas, la pluralité des ouvertures peut être groupée par paires, les deux ouvertures de chaque paire ayant par exemple la même longueur. Dans ce dernier cas, les ouvertures de chaque paire peuvent être arrangées en opposition diamétralement l'une par rapport à l'autre sur le périmètre de l'un des manchons. La plus longue des ouvertures de l'un des manchons peut être plus étroite que celle ou celles des ouvertures restantes. La présente invention concerne également des tubes de production comprenant un dispositif de contrôle de débit selon l'invention. La présente invention concerne également un puits d'hydrocarbure 25 contenant un dispositif de contrôle de débit selon l'invention. L'invention va maintenant être décrite, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures la-1c sont des vues en coupe schématique d'un dispositif 30 conventionnel de contrôle de débit en positions ouvertes et fermées; La figure 2 est un diagramme schématique illustrant un arrangement de dispositifs de contrôle de débit dans un puits de forage sous-marin; La figure 3a est une vue en coupe schématique d'un appareil construit selon l'invention; La figure 3b est une vue plus en détail d'une partie de l'appareil de la figure 3a; Les figures 3c-3e illustrent l'appareil de la figure 3a à différents stades d'ouverture; La figure 4 est une vue en perspective de l'appareil de la figure 3; et La figure 5 illustre graphiquement le changement dans le débit et la chute de pression obtenue avec l'appareil de la figure 3. Les chiffres de référence s'appliquent aux mêmes pièces dans toute la description. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 2, on a représenté un arrangement typique d'un puits de forage, indiqué généralement par le chiffre de référence 9, avec des embranchements 9a, 9b. Le tube de production 10 s'étend depuis la bouche de forage vers des réservoirs de pétrole. L'espace entre les tubes et le puits de forage est hermétiquement fermé en des points sur la longueur au moyen d'un dispositif 11 20 connu comme le nom de parker (garnisseur). Entre des pakers adjacents sont interposées des duses qui sont commandées par des actionneurs (non représentés). En utilisation, le pétrole ou les autres fluides d'hydrocarbure entrent dans les tubes de production 10 à travers les ouvertures dans les dispositifs duses 12, s'ils sont ouverts. La sélection et le fonctionnement des moteurs associés aux 25 actionneurs de duses est réalisé sous le contrôle d'un opérateur au moyen d'un dispositif d'affichage en surface. Des capteurs (également non représentés) peuvent être utilisés pour fournir à l'opérateur une information précise concernant la position et les conditions des duses 12. La figure 3a, illustrant une duse 12 ou un dispositif de contrôle de débit, 30 construit selon diverses formes d'exécution de l'invention. Ce dispositif de contrôle de débit présente les mêmes caractéristiques de base que celles illustrées aux figures la-1c, à savoir un manchon extérieur 13 présentant une série d'ouvertures 14, un manchon intérieur 15 présentant une série d'ouvertures 16, une série de joints 17,18,19 et un actionneur (non représenté) arrangé de façon à pouvoir 5 déplacer le manchon intérieur 15 relativement au manchon extérieur 13. Les joints 18 et 19 définissent une chambre annulaire 20 entre les manchons, comprenant l'ensemble des ouvertures 14 du manchon extérieur. Les figures 3a-3e illustrent les principes du dispositif de contrôle de débit et ne sont pas destinées à refléter précisément les dimensions du dispositif réel. Par exemple, il est improbable que le 10 joint annulaire 17 soit à une proximité aussi immédiate du joint 18, tel que cela est représenté sur les dessins. Une région réductrice de pression sous forme d'un insert annulaire 21 est interposée entre le joint 18 et le manchon extérieur 13. L'insert 21 forme une région de dimensions réduites sous forme d'un passage annulaire étroit 22 en face 15 du joint 18. L'insert annulaire 21 est représenté avec plus de détails sur la figure 3b, de même que l'une des gorges 23 d'un ensemble,entaillée dans la surface extérieure du manchon intérieur 15. Les gorges 23 sont placées juste avant les ouvertures 16 du manchon intérieur 15 dans la direction du mouvement d'ouverture. Le fonctionnement à la fois de l'insert annulaire 21 et des gorges 23 va être décrit 20 plus loin dans la description. Une autre caractéristique de la duse de la figure 3a est que les ouvertures 16 du manchon intérieur 15 sont de formes et dimensions différentes. Au moins une des ouvertures 24 de cet ensemble 16 s'étend au-delà des autres dans les directions du mouvement d'ouverture du dispositif de contrôle de débit, 25 direction qui est indiquée par les flèches. Les longueurs et formes des ouvertures 16 sont choisies de telle façon que le changement dans le coefficient de vélocité (CV) du fluide s'écoulant à travers elles, provoqué par un changement dans le déplacement relatif des manchons 13,15, est proportionnel au changement du déplacement relatif, et que le ratio de 30 CV à la longueur effective (c'est-à-dire la longueur d'ouverture à travers lequel le fluide s'écoule) est sensiblement constant pour toute longueur effective. En d'autres termes, le changement en pourcentage de CV est égal au changement en pourcentage du déplacement. Le coefficient de vélocité est une caractéristique du débit décrit par la formule suivante: Débit = CV +//(A P / SG) o le débit est mesuré en litres par minute, A P est la chute de pression à travers l'ouverture en bars, SG est la gravité spécifique. La relation désirée entre CV et le déplacement relatif peut être obtenue en faisant la somme des largeurs de toutes les ouvertures 16 dans une position le long du manchon intérieur 15, qui augmente de façon sensiblement exponentielle le long du manchon dans la direction d'écoulement du fluide. Ceci est obtenu par une sélection appropriée des longueurs des ouvertures individuelles 16. Toutes les 10 ouvertures 16 sont axialement alignées vers l'extrémité avale des ouvertures, c'estàdire que les côtés gauches des ouvertures de la figure 3 sont alignés. Cependant, les ouvertures 16 s'étendent sur des longueurs variées et différentes vers l'amont. Ainsi, lorsque le manchon intérieur 15 est déplacé pour augmenter le débit, les ouvertures 16 sont graduellement ouvertes jusqu'à ce que l'on obtienne la position 15 de pleine ouverture. Avantageusement, les ouvertures sont arrangées par paires, les ouvertures de chaque paire étant de la même longueur et les ouvertures de chaque paire étant situées à des points diamétralement opposés autour du manchon intérieur 15. Dans une forme d'exécution préférée, le manchon intérieur 15 a une 20 épaisseur de 0,83 cm et un diamètre extérieur de 13,34 cm. Le manchon intérieur comprend dix ouvertures 16, groupées en cinq paires. La paire la plus longue d'ouverture 24 a chacune une longueur de 10,16 cm et une largeur de 1,59 cm. Les autres paires ont des longueurs de 7,62 cm, 6,99 cm, 5,46 cm et 3,81 cm respectivement et ont toutes une largeur de 2,29 cm. En référence maintenant à la figure 3c, on voit le début de l'opération d'ouverture par l'actionneur, qui se déplace dans le manchon intérieur dans la direction représentée par les flèches. Dans ce dessin, les gorges 23 en pont sur le joint 18 empiètent maintenant sur la chambre 20, chambre qui comprend les ouvertures 14 du manchon extérieur 13. De la sorte, les fluides d'hydrocarbure 30 entrant dans la chambre 20 depuis le puits peuvent s'infiltrer autour des gorges, bypasser le joint 18, même si la duse 12 n'a pas atteint une position "ouverte". Ceci a pour effet d'équilibrer la pression de fluide des deux côtés du joint 18 avant que le dispositif de contrôle de débit atteigne une position ouverte, réduisant ainsi le problème de l'extrusion du joint, qui est sinon causé par la haute pression du fluide entrant agissant sur ce joint. La figure 3d montre le dispositif de contrôle de débit arrivant dans la 5 position ouverte. La plus longue ouverture 24 du joint intérieur 15 s'est juste déplacée au delà du joint 18 et mord légèrement sur la chambre 20, permettant ainsi à une petite quantité de fluide de s'écouler dans le manchon intérieur 15. On obtient ainsi un faible de débit de fluide à travers le dispositif de contrôle de fluide. C'était plus difficile avec les duses conventionnelles dans lesquels les ouvertures 10 étaient de même forme et de même taille et étaient alignés; de petits changements dans le débit de fluide ne pouvaient être obtenus que par des légères défections des manchons intérieurs, ce qui était très difficile à cause des actionneurs qui sont des dispositifs à positionnement relativement frustre. Avant d'entrer dans l'ouverture 24 du manchon intérieur 15, le fluide 15 entrant dans la chambre 20 depuis le puits est dirigé dans un petit passage annulaire 22 défini par l'insert annulaire 21. Les dimensions du passage annulaire 22 sont choisies de telle sorte que la pression du fluide entrant tombe en grande partie le long du passage, c'est-à-dire qu'il y a un différentiel de pression entre les extrémités du passage. De la sorte, le fluide entrant dans le manchon intérieur 15 20 est à plus basse pression que le même fluide y rencontrerait dans un dispositif à duse conventionnel. Cette caractéristique permet d'éviter au joint 18 d'être endommagé ou tiré dans les ouvertures et réduit également l'érosion. Les dimensions radiales du passage 22 doivent être suffisamment grandes, cependant, pour empêcher le blocage à des contaminants dans le fluide. La figure 3e montre la duse dans la position grande ouverte. Dans cette position, le fluide s'écoule à travers toutes les ouvertures 16 du manchon intérieur 15, produisant ainsi le débit maximum atteignable dans le tube de production. Il faut noter que, tandis que l'actionneur se déplace entre les positions des figures 3d et 3e, la longueur effective du passage annulaire 22 diminue, de sorte que les 30 ouvertures 16 du manchon intérieur 15 sont graduellement exposées à une pression augmentant, culminant avec une exposition totale à la pression du fluide entrant. La figure 4 illustre un exemple d'arrangement du manchon intérieur 15 plus clairement. Pour des raisons d'illustration, le joint 18 est représenté lié au manchon intérieur 15, de même que l'insert annulaire 21. Les gorges 23 sont également représentées positionnées en face de toutes les ouvertures 16 dans le manchon intérieur 15, à l'exception de la plus longue ouverture 24. L'autre caractéristique de cet appareil est que l'ouverture 24 comprend un insert résistant à 5 l'érosion 25, typiquement en tungstène. L'insert 25 est fixé dans le manchon intérieur 15 par une fixation à vis 26 à une extrémité et présente un contour en forme de lèvre à l'autre extrémité, qui s'engage dans l'ouverture 24. L'insert a une forme conique autour des bords de l'ouverture, produisant ainsi un effet de cône dans l'ouverture pour résister encore à l'érosion. Naturellement, les ouvertures 10 elles-mêmes peuvent être coniques comme sauvegarde supplémentaire contre l'érosion. La courbe notée A sur la figure 5 illustre le changement de débit qu'on peut obtenir avec le dispositif selon l'invention. Le débit est représenté graphiquement en regard de la course du manchon intérieur, tel que déplacé par 15 l'actionneur. Les changements de débit par rapport à la course présente des caractéristiques plus linéaires que celles que l'on obtenait jusqu'à présent. De plus, on peut obtenir des débits très bas. Jusqu'alors, il y avait un seuil entre le débit zéro dans la position fermée et le débit dans la position juste ouverte. Le graphique correspondant au changement de pression à travers les ouvertures est également 20 représenté dans la courbe étiquetée B. L'invention convient particulièrement pour le contrôle de duses en aval des puits d'hydrocarbure, mais il est également tout à fait approprié pour contrôler l'écoulement des fluides en général dans d'autres applications. Dans un puits d'hydrocarbure, normalement seulement le manchon 25 intérieur est déplacé pour contrôler les changements de débit. Dans d'autres applications, il peut être plus avantageux de déplacer le manchon extérieur, ou même les deux manchons, par des mécanismes actionneurs. Un mécanisme actionneur convenable est celui décrit dans le brevet GB 2 350 659. L'invention a été décrite en relation avec un fluide s'écoulant d'un puits 30 de forage dans des tubes de production, c'est-à-dire de l'extérieur d'un manchon extérieur vers l'intérieur d'un manchon extérieur. Cependant, l'invention est également appropriée pour contrôler des débits de fluide dans le sens opposé, sans autre adaptation ou avec une adaptation minimale. D'autres variantes peuvent être apportées sans se départir du champ de protection. Par exemple, l'insert annulaire ne doit pas nécessairement être imposé entre le joint 18 et le manchon extérieur. Cet insert peut être attaché au manchon extérieur en face du joint ou autrement attaché au manchon intérieur. Cet insert peut même faire partie intégrante du joint. Comme autre variante, I'insert résistant à l'érosion peut être fixé au 5 manchon intérieur à l'aide, par exemple, de liaisons chimiques ou peut faire également partie intégrante du manchon. Toutes les ouvertures des manchons intérieures et/ou extérieures peuvent être réalisées en matériau résistant à l'érosion de cette façon. Tel que décrit ci-dessus, afin d'assurer que le changement dans le 10 coefficient de vélocité CV est proportionnel au déplacement relatif des manchons, les largeurs combinées de toutes les ouvertures augmentent de façon sensiblement exponentielle dans le sens du débit du fluide, en utilisant des ouvertures de différentes longueurs. En variante, les ouvertures peuvent être chacune de la même longueur, leur largeur individuelle augmentant sensiblement exponentiellement vers 15 l'aval. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle de débit, comprenant a) un manchon extérieur (13) présentant une paroi de manchon extérieur et au moins une ouverture (14) à travers la paroi du manchon extérieur, b) un manchon intérieur (15) présentant une paroi de manchon intérieur et au moins une ouverture (16) à travers la paroi du manchon intérieur et c) des moyens pour fournir un mouvement relatif en glissement des manchons entre les positions " ouvertes " permettant à un débit variable de fluide 10 de passer à travers les ouvertures des manchons et une position " fermée ", de telle sorte que le mouvement relatif des manchons produise l'ouverture variable à travers laquelle le fluide peut s'écouler, d) caractérisé en ce que les ouvertures sont arrangées de telle façon que le changement dans le coefficient de vélocité (CV) du fluide s'écoulant au 15 travers des ouvertures provoquées par un changement dans le déplacement relatif des manchons est sensiblement proportionnel à ce changement de déplacement relatif. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un des manchons a une pluralité d'ouvertures, la somme des largeurs de ces ouvertures le long du 20 manchon augmentant sensiblement exponentiellement dans la direction de l'écoulement du fluide. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la largeur d'au moins une des ouvertures augmente dans la direction de l'écoulement du fluide. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur d'une des 25 ouvertures au moins augmente sensiblement exponentiellement dans la direction de l'écoulement du fluide. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'au moins une des ouvertures d'un des manchons a une longueur différente de l'autre des ouvertures. il 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les ouvertures sont groupées par paires. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux ouvertures de chaque paire ont la même longueur. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les ouvertures de chaque paire sont arrangées en opposition diamétralement l'une par rapport à l'autre sur le périmètre de l'un des manchons. 9. Dispositif selon une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la plus longue des ouvertures de l'un des manchons est plus étroite que celle ou celles des 10 ouvertures restantes. 10. Tubes de production comprenant un dispositif de contrôle de débit selon l'une des revendications précédentes. 11. Puits d'hydrocarbure contenant un dispositif de contrôle de débit selon l'une des revendications 1 à 9.