Brevet FR3036156A1 — publié le 20161118

VANNE À BILLE ET À SIÈGE POUR APPLICATIONS HAUTE TEMPÉRATURE ET HAUTE PRESSION DOMAINE TECHNIQUE La présente divulgation concerne de manière générale des équipements utilisés et des opérations exécutées en conjonction avec un puits souterrain et dans un exemple décrit plus particulièrement ci-après, présente une vanne à bille et à siège capable de supporter des applications de haute température et de haute pression. CONTEXTE Les hydrocarbures, tels que le pétrole et le gaz, sont communément obtenus à partir de formations souterraines qui peuvent se trouver sur terre ou en mer. Le développement des opérations souterraines et les procédés impliqués dans le retrait d'hydrocarbures d'une formation souterraine incluent d'ordinaire un certain nombre d'étapes différentes telles que, par exemple, le forage d'un puits au niveau d'un site de puits souhaité, le traitement du puits de forage pour optimiser la production d'hydrocarbures, et l'exécution des étapes nécessaires pour produire et traiter les hydrocarbures provenant de la formation souterraine. Au fur et à mesure que les puits de pétrole et de gaz ont augmenté en profondeur pour trouver des réserves durables, les pressions et températures des réservoirs résultants ont augmenté de manière significative. Par exemple, à des profondeurs de 30 000 pieds (9143,5 m), il n'est pas inhabituel de subir des températures dépassant 350 °F (176,66°C) et des pressions dépassant 10 000 psi (689,18 bar). Ces conditions de fond de trou accrues ont soumis les équipements de fond de trou à des demandes accrues, incluant les vannes barrières d'isolement. Les vannes barrières d'isolement courantes utilisent un simple agencement de bille sphérique et de siège comme dispositif de fermeture. Afin de répondre aux exigences de performance actuelles, le choix des matériaux pour fabriquer la bille et le siège devient limité et peut approcher les limites des matériaux actuellement approuvés. La présente divulgation concerne une vanne à bille et à siège améliorée qui 30 intègre des manchons ajustés thermiquement dans la bille et/ou le siège pour permettre des pressions et des températures plus élevées en raison des contraintes résultantes subsistant à l'intérieur des pièces du fait de l'interférence. 3036156 2 A cet effet, la présente invention propose ainsi une vanne comprenant une bille ayant un passage d'écoulement formé à l'intérieur, un manchon de support formé dans le passage d'écoulement de la bille, et un siège disposé de manière adjacente à la bille et en prise avec celle-ci. 5 La vanne selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - le manchon de support est ajusté thermiquement sur le passage d'écoulement de la bille et s'étend sur l'ensemble de la longueur du passage d'écoulement, 10 - un second manchon de support, dans laquelle les deux manchons de support sont ajustés thermiquement sur le passage d'écoulement de la bille, un manchon de support étant disposé à une première extrémité du passage d'écoulement et l'autre manchon de support étant disposé à une seconde extrémité du passage d'écoulement à l'opposé de la première extrémité du passage d'écoulement, 15 - un manchon de support disposé autour d'au moins une partie du siège, - le manchon de support disposé autour d'une partie du siège est ajusté thermiquement à une surface circonférentielle externe du siège, - le manchon de support sur le siège et le manchon de support sur la bille sont constitués d'un alliage métallique choisi dans le groupe constitué du même alliage que 20 celui utilisé pour former la bille et le siège, d'un alliage métallique différent et de leurs combinaisons, - le manchon de support ajusté thermiquement au siège est disposé à une extrémité du siège qui se met en prise avec la bille, - le passage d'écoulement comprend une région creuse de forme généralement 25 cylindrique à l'intérieur de la bille et le siège comprend un élément de forme généralement tubulaire ayant une région intérieure creuse pouvant loger un écoulement de fluide à travers elle, - la bille peut tourner d'au moins 90 degrés et peut être placée à une première position dans laquelle le passage d'écoulement de la bille s'aligne sur la région 30 intérieure creuse du siège de sorte à permettre au fluide de passer entre eux et peut être placée dans une seconde position dans laquelle le passage d'écoulement de la bille est 3036156 3 hors d'alignement avec la région intérieure creuse du siège, empêchant le fluide de passer entre eux, - dans la première position, un joint est créé entre le manchon de support sur le siège et le manchon de support formé dans le passage d'écoulement de la bille et dans la 5 seconde position, un joint est créé entre le manchon de support sur le siège et une surface circonférentielle externe de la bille. La présente invention propose également une vanne, comprenant une bille ayant un passage d'écoulement formé à l'intérieur de. celle-ci ; un siège disposé de manière adjacente à la bille et en prise avec celle-ci ; et un manchon de support disposé autour 10 d'au moins une partie du siège. La vanne selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : manchon de support est ajusté thermiquement à une surface circonférentielle 15 externe du siège, - un manchon de support formé dans le passage d'écoulement de la bille,. -le manchon de support formé dans le passage d'écoulement de la bille est ajusté thermiquement et s'étend sur l'ensemble de la longueur du passage d'écoulement, - un second manchon de support, dans laquelle les deux manchons de support 20 sont ajustés thermiquement sur le passage d'écoulement de la bille, un manchon de support étant disposé à une première extrémité du passage d'écoulement et l'autre manchon de support étant disposé à une seconde extrémité du passage d'écoulement opposée à la première extrémité du passage d'écoulement., - les manchons de support sur le siège et dans la bille sont constitués d'un alliage 25 métallique sélectionné dans le groupe constitué du même alliage que celui utilisé pour former la bille et le siège, d'un alliage métallique différent et de combinaisons de ceux- ci, - le passage d'écoulement comprend une région creuse de forme généralement cylindrique à l'intérieur de la bille et le siège comprend un élément de forme 30 généralement tubulaire ayant une région intérieure creuse pouvant loger un écoulement de fluide à travers elle, 3036156 4 - la bille peut tourner d'au moins 90 degrés et peut être placée dans une première position dans laquelle le passage d'écoulement s'aligne sur la région intérieure creuse du siège de sorte à permettre au fluide de passer entre eux et peut être placée dans une seconde position dans laquelle le passage d'écoulement de la bille est hors d'alignement 5 avec la région intérieure creuse du siège de sorte à empêcher le fluide de passer entre eux, - la première position, un joint est créé entre le manchon de support sur le siège et le manchon de support formé dans le passage d'écoulement de la bille et dans la seconde position, un joint est créé entre le manchon de support sur le siège et une 10 surface circonférentielle externe de la bille, - le manchon de support est disposé à une extrémité du siège qui se met en prise avec la bille. 15 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Pour une compréhension plus complète de la présente divulgation et de ses caractéristiques et avantages, nous allons maintenant nous référer à la description suivante, prise en conjonction avec les dessins joints, sur lesquels : la figure 1 est une représentation schématique illustrant un mode de réalisation 20 d'une vanne barrière d'isolement selon la présente divulgation ; la figure 2 est une vue en coupe de la vanne barrière d'isolement représentée sur la figure 1 le long de l'axe 2-2. La figure 3 est une représentation schématique illustrant un autre mode de réalisation d'une vanne barrière d'isolement selon la présente divulgation. 25 La figure 4 est une représentation schématique illustrant une vanne barrière d'isolement installée dans une section de tubage de production. DESCRIPTION DÉTAILLÉE Une vanne barrière d'isolement 10 selon la présente divulgation est illustrée sur la figure 1. La vanne 10 inclut une bille 12 et un siège 14. La bille 12 est généralement 3036156 de forme sphérique et constituée d'un alliage métallique. Dans un mode de réalisation, la bille 12 est constituée d'un alliage métallique, tel qu'un alliage de chrome-molybdène série 41XX ou un alliage de nickel plus noble. Comme le comprendra l'homme du métier, d'autres matériaux peuvent être utilisés pour former la bille 12, qui sont 5 capables de supporter les environnements de haute température et de haute pression présents dans les puits marins en eau profonde et autres puits profonds et ultra-profonds. La bille 12 est formée d'un passage d'écoulement 16 formé à travers elle. Le passage d'écoulement 16 est généralement de forme cylindrique et occupe un volume significatif de la bille 12. Le passage d'écoulement 16 est conçu pour supporter un 10 écoulement haute pression et haute vitesse de fluides de fond de trou. La bille 12 est formée d'un axe 18 autour duquel la bille est capable de tourner. Comme nous le décrirons en outre ci-après, la bille 12 est capable de tourner d'au moins 90 degrés de sorte à prendre une de deux positions, une pouvant être caractérisée comme une position « ouverte » et l'autre pouvant être caractérisée comme une position 15 « fermée ». Dans la position « ouverte », les fluides peuvent s'écouler à travers le passage d'écoulement 16, par exemple, lors de la production d'hydrocarbures à partir d'une formation souterraine d'un réservoir de pétrole et de gaz vers la surface. Dans la position « fermée », l'écoulement de fluide est coupé, interrompant ainsi l'écoulement d'hydrocarbures vers la surface. La vanne barrière d'isolement peut également être 20 utilisée pour ouvrir et fermer l'écoulement de fluides de complétion et/ou d'enrichissement de fond de trou. Le siège 14 est un élément tubulaire de forme généralement cylindrique. Comme la bille 12, le siège 14 est constitué d'un alliage métallique, par exemple, d'un alliage de chrome-molybdène de série 41XX ou d'un alliage de nickel plus noble. À nouveau, 25 comme le comprendra l'homme du métier, d'autres matériaux capables de supporter l'environnement de haute température et de haute pression de puits profonds et ultra-profonds peuvent être utilisés. Le siège 14 dans un exemple peut avoir un diamètre interne d'environ 4,5 pouces (11, 43 cm) et un diamètre externe d'environ 5,0 pouces (12,7 cm), bien que, comme le comprendra l'homme du métier, n'importe quel siège de taille appropriée peut être employé. Dans un mode de réalisation selon la présente divulgation, un manchon de support 20 est formé dans la surface du passage d'écoulement 16 de la bille 12 et la 3036156 6 longe. Dans un mode de réalisation, le manchon de support 20 est constitué du même alliage métallique que celui utilisé pour former la bille 12 et le siège 14. Le manchon de support est généralement de forme cylindrique et dans un mode de réalisation, peut varier en épaisseur de 0,0625 à 0,125 pouce (0,159 à 0,3175 cm), bien que d'autres 5 épaisseurs et matériaux appropriés puissent être utilisés. Le manchon de support 20 peut être ajusté thermiquement à la surface cylindrique interne de la bille 12 formant le passage d'écoulement 16. Dans un mode de réalisation, le manchon de support 20 est refroidi avant d'être passé dans le passage d'écoulement 16. Lorsqu'il se réchauffe à nouveau, il forme un ajustement serré avec la surface cylindrique interne de la bille 12. 10 En variante, la bille 12 est chauffée, entraînant ainsi sa dilatation. Le manchon de support 20 est ensuite inséré dans la bille 12, qu'on laisse ensuite refroidir. Une fois refroidi, le manchon de support 20 est ajusté de façon serrée à l'intérieur du passage d'écoulement 16 de la bille 12. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, le manchon de support 20 est formé comme un seul manchon qui s'étend sur l'ensemble 15 de la longueur de la surface cylindrique formant le passage d'écoulement 16. Dans un autre mode de réalisation selon la présente divulgation, une paire de manchons de support de forme généralement cylindrique 22 et 24 sont utilisés à la place du seul manchon de support 20, comme le montre la figure 3. Dans ce mode de réalisation, les deux manchons de support 22 et 24 peuvent être fabriqués à partir du 20 même matériau et installés de la manière décrite en référence au seul manchon de support 20. Les deux manchons de support 22 et 24 sont installés chacun aux extrémités opposées de la longueur longitudinale du passage d'écoulement 16. En variante, une pluralité de manchons de support sont installés le long de la longueur longitudinale du passage d'écoulement 16. 25 Selon la présente divulgation, le siège 14 peut également être doté d'un manchon de support 26, comme le montrent les figures 1 et 3. Le manchon de support 26 peut également être constitué du même alliage métallique, par exemple, d'un alliage de chrome-molybdène de série 41XX ou d'un alliage de nickel plus noble, comme la bille 12 et le siège 14. À nouveau, comme le comprendra l'homme du métier, d'autres 30 matériaux appropriés peuvent être utilisés. Le manchon de support 26 dans un mode de réalisation fait environ 0,0625 à 0,125 pouce (0,159 à 0,3175 cm) d'épaisseur, mais d'autres épaisseurs appropriées peuvent être employées. Le manchon de support 26 est 3036156 ajusté thenniquement sur le siège 14. Dans un mode de réalisation, le manchon est chauffé et placé sur un siège froid 14 et on le laisse refroidir, lui permettant ainsi de rétrécir pour s'ajuster de manière serrée sur le siège 14. Dans un autre mode de réalisation, le manchon de support 26 est placé sur le siège 14, qu'on a refroidi et puis 5 laissé se réchauffer de sorte à former ainsi un ajustement serré entre le manchon de support 26 et le siège 14. Comme le comprendra l'homme du métier, à de hautes températures et/ou pressions qui sont présentes dans des applications de puits profond, la bille 12 et le siège 14 ont tendance à se déformer en raison des contraintes créées par l'écoulement de 10 fluide haute température et haute pression. Ceci est illustré sur la figure 2, par les flèches A et B, qui représentent la pression en amont et en aval, respectivement. Ces pressions amènent la bille et le siège à se déformer, ce qui peut entraîner une fuite de fluides hors de la vanne. Les manchons de support 20 (ou 22 et 24) et 26 selon la présente divulgation servent à pré-contraindre la bille 12 et le siège 14, respectivement, 15 et empêchent ainsi ces composants de se déformer à des températures et/ou pressions plus élevées qui seraient possibles sans les manchons de support. Ceci est mieux illustré sur la figure 2 où le manchon de support 26 est représenté comme pré-contraignant le siège 14 de telle sorte qu'une déformation au niveau du point de contact entre la bille 12 et le siège 14 est empêchée ou du moins minimisée, préservant ainsi l'intégrité du joint 20 au point C. La figure 4 montre la vanne 10 avec la bille 12 et le siège 14 installée à l'intérieur d'un outil de fond de trou 28, qui est à son tour représenté à l'intérieur d'une section de carter ou de tubage de production 30. Dans cette application, la vanne 10 serait utilisée comme une vanne d'isolement de complétion inférieure et installée juste 25 en dessous de la garniture d'étanchéité de massif de gravier la plus haute dans le trou de forage formé dans le réservoir d'intérêt. Comme le comprendra l'homme du métier, le mécanisme de vanne 10 peut toutefois être utilisé dans d'autres applications à la fois dans le champ pétrolifère, comme dans des arbres sous-marins, et à l'extérieur du champ pétrolifère où des vannes fiables haute température haute pression sont 30 nécessaires. Comme le comprendra l'homme du métier, plus un trou est profond dans une formation souterraine, plus les températures et les pressions de fond de trou sont élevées. Dans des applications profondes et ultra-profondes, les pressions peuvent 3036156 8 atteindre par exemple 15 000 psi (1033,77 bar) et éventuellement des valeurs encore plus élevées. La vanne 10 serait appropriée pour de telles applications. Bien que divers exemples aient été décrits plus haut, chaque exemple présentant certaines caractéristiques, il doit être entendu qu'il n'est pas nécessaire pour une 5 caractéristique particulière d'un exemple d'être utilisée exclusivement avec cet exemple. Au contraire, n'importe laquelle des caractéristiques décrites plus haut et/ou illustrées sur les dessins peut être combinée avec n'importe lequel des exemples, en plus ou à la place d'une quelconque autre caractéristique de ces exemples. Les caractéristiques d'un exemple ne sont pas incompatibles avec les caractéristiques d'un 10 autre exemple. Au contraire, la portée de la présente divulgation englobe toutes les combinaisons de n'importe lesquelles des caractéristiques. Bien que chaque exemple décrit ci-dessus comprenne une certaine combinaison de caractéristiques, il doit être entendu qu'il n'est pas nécessaire que toutes les caractéristiques d'un exemple soient utilisées. Au contraire, n'importe lesquelles des 15 caractéristiques décrites plus haut peuvent être utilisées, sans qu'aucune autre caractéristique particulière soit également utilisée. Il doit également être entendu que les différents modes de réalisation décrits ici peuvent être utilisés dans diverses orientations, telles qu'inclinée, inversée, horizontale, verticale, etc., et dans diverses configurations, sans s'écarter des principes de la présente 20 divulgation. Les modes de réalisation sont décrits purement à titre d'exemples d'applications utiles des principes de la divulgation, qui n'est pas limitée à de quelconques détails spécifiques de ces modes de réalisation. Dans la description ci-dessus des exemples représentatifs, des termes directionnels (tels que « au-dessus », « en dessous », « supérieur », « inférieur » etc.) 25 sont utilisés à des fins de convenance lors de la référence aux dessins joints. Toutefois, il doit être clairement entendu que la portée de la présente divulgation n'est pas limitée à de quelconques directions particulières décrites ici. Les termes « incluant », « inclut », « comprenant », « comprend » et des termes similaires sont utilisés dans un sens non limitatif dans la présente spécification. Par 30 exemple, si un système, un procédé, un appareil, un dispositif, etc., est décrit comme « incluant » une certaine caractéristique ou un certain élément, le système, le procédé, l'appareil, le dispositif, etc., peut inclure cette caractéristique ou cet élément, et peut 3036156 9 également inclure d'autres caractéristiques ou éléments. De la même manière, le terme « comprend » est considéré comme signifiant « comprend, mais sans limitation ». Bien évidemment, un homme du métier comprendra facilement, en considérant attentivement la description ci-dessus de modes de réalisation représentatifs de la 5 divulgation, qu'il est possible de réaliser de nombreuses modifications, additions, substitutions, suppressions et de nombreux autres changements dans les modes de réalisation spécifiques, et de tels changements sont envisagés par les principes de la présente divulgation. Par exemple, des structures divulguées comme étant formées séparément peuvent, dans d'autres exemples, être formées d'un seul tenant et vice versa. 10 En conséquence, il doit être clairement entendu que la description détaillée précédente est donnée à titre d'illustration et d'exemple uniquement, l'esprit et la portée de l'invention n'étant limités que par les revendications annexées et leurs équivalents.