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1 33075~
VANNE DE SÉCURITÉ POUR PUITS PÉTROLIER,
A~TORISANT UN FONCTIONNEMENT EN DÉBIT ARTIFICIEL
L'invention concerne une vanne de sécurité
destinée à être insérée dans un tube de production de puits
pétrolier en vue d'en assurer l'ouverture ou la fermeture,
tout en autorisant un fonctionnement en débit artificiel par
injection d'un fluide sous pression, dit fluide injecté.
Les vannes de sécurité pour puits pétroliers ont
pour fonction de stopper automatiquement la production
d'effluent si un incident survient en tête de puits ou en
aval de celles-ci. Elles sont commandées hydrauliquement à
l'ouverture depuis la surface et se ferment automatiquement
au moyen d'un puissant ressort de rappel dès l'apparition
d'une chute de pression hydraulique, commandée ou
accidentelle. Ces vannes ont fait l'objet de nombreuses
études de mise au point et de perfectionnement, et leur
emploi s'est généralisé en particulier dans les puits
éruptifs offshore.
Lors de leur mise en place, ces vannes sont
ancrées dans un manchon-réceptacle logé dans le tube de
production; l'ancrage est réalisé au moyen d'un système de
chiens mécaniques capables de subir un déplacement radial
qui les amènent à pénétrer dans une gorge d'ancrage du
2S manchon-réceptable : ces chiens sont alors verrouillés dans
leur position d'ancrage grâce à un ressort qui repousse une
bague de verrouillage à l'intérieur desdits chiens. Lorsque
ces chiens sont correctement positionnés et verrouillés, ils
fournissent un ancrage bénéficiant de bonnes qualités de
résistance mécanique. Toutefois, la mise en oeuvre d'un tel
système d'ancrage est une opération laborieuse effectuée en
aveugle à l'intérieur du puits et elle n'est assortie
d'aucune garantie de bonne fin, l'opérateur n'ayant aucun
J
- 1 33075~) :
la
moyen de savoir si la vanne est correctement ancrés et
verrouillée dans le manchon-réceptable.
Par ailleurs, lcrsque la pression des effluents
devient trop faible dans un puits, on est amené à injecter
dans un train de tubes passant au centre du tube de
production, un fluide sous pression, généralement un gaz,
qui sert à alléger la colonne d'effluent. Les vannes
connues n
~ .
... ~ .. . . - , . . ~ . . ~ . .. . . .. . . . . . . . . . . ...
1 330756
~'
sont pas adaptées à cette injection, en particulier du fait
que les chiens d'ancrage et leur système de verrouillage
présentent un encombrement radial trop important pour
autoriser le passage d'un tube interne d'injection de
diamètre suffisant.
Le brevet FR no. 2 536 7B3 et son certificat
d'addition no. 2 555 246 publiés respectivement le ler juin
1984 et le 24 mai 1985 présentent une vanne de structure
modifiée par rapport aux vannes traditionnelles; dans cette
nouvelle vanne, le verrouillage est réalisé au moyen d'une
bague élastique qui est maintenue radialement rétractée par
un système de collerette et clavettes lors de la descente de
la vanne et qui est relâchée en fin de descente lorsque la
bague parvient au niveau de la gorge d'ancrage du manchon-
réceptacle. Ce système permet la mise en place d'un tube
interne d'injection de gaz, mais possède le défaut très
grave d'être extrêmement fragile: la bague élastique se
casse traæ fréquemment soit lors de la mise en place de la
vanne, soit lors de son déverrouillage, et chaque rupture
occasionne de très graves difficultés pratiques de
réparation et des risques importants pour les personnels.
De plus, comme dans le cas des systèmes traditionnels, la
mise en place s'effectue en aveugle, sans garantie d'ancrage
correct.
La présente invention se propose de fournir une
vanne de sécurité perfectionnée, apte à autoriser un
fonctionnement en débit artificiel, sans présenter les
défauts sus-évoqués des vannes connues.
Un objectif de l'invention est en particulier de
fournir une vanne pour puits en débit artificiel, béné-
ficient d'un système d'ancrage très robuste et permettant de
garantir un ancrage correct lors de la pose.
Un autre objectif est d'autoriser un déverrouil-
~. : '-
1 330756
2a
lage et une remontée faciles de la vanne, sans risque de
rupture.
Un autre objectif est de fournir une vanne pour
puits artificiel qui bénéficie de la plupart des avantages
des vannes perfectionnées pour puits éruptifs décrites dans
les brevets canadiens 1,291,026 et 1,273,288.
Un autre objectif est de permettre une
1 33075~
transformation aisée des vannes afin de les adapter aux
types de puits concernés: puits à débit artificiel ou puits
éruptifs.
Afin de faciliter la compréhension, la vanne
conforme à l'invention est décrite en la supposant en place
dans un puits pétrolier, les termes "haut", "bas",
"supérieur", "inférieur", "base", "tête"... se référant à
cette position.
La vanne de sécurité visée par l'invention est
destinés à être insérée dans un tube de production de puits
pétrolier en vue d'en assurer l'ouverture ou la fermeture,
tout en autorisant un fonctionnement en débit artificiel par
injection d'un fluide sous pression, dit fluide injecté;
selon l'invention, cette vanne comprend en combinaison:
- un corps de vanne de forme générale tubulaire,
- un clapet mobile d'obturation, situé en partie
basse dudit corps et sollicité vers sa position de :~
fermeture,
- un coulisseau tubulaire agencé pour pouvoir ~
coulisser longitudinalement à l'intérieur du corps de vanne ~:-
en vue d'engendrer dans son mouvement descendant l'ouverture
du clapet d'obturation, ~ :.
- un ressort de rappel disposé dans un logement
annulaire situé entre le coulisseau et le corps de vanne, de
façon à solliciter ledit coulisseau vers une position haute
correspondant à la fermeture du clapet d'obturation, ::
- des moyens de déplacement hydraulique du :~
coulisseau vers le bas, comportant une arrivée de fluide de
commande à travers le corps de vanne et un volume étanche
entre le coulisseau et le corps destiné à recevoir le fluide
de commande, le coulisseau présentant -une différence de
section soumise à la pression du fluide contenu dans ledit
X ` .
~ 1 33075~j
volume étanche de façon à subir un effort vers le bas
lorsque ledit volume est en pression,
- des garnitures d'étanchéité, inférieure et
supérieure, disposées autour du corps de vanne en vue
d'assurer une étanchéité à l'interface entre ledit corps de
vanne et un manchon-réceptable équipant le tube de
production, à des niveau situés au-dessous et au-dessus de
l'arrivée du fluide de commande,
- un tube interne de passage du fluide injecté, de
diamètre inférieur à celui du coulisseau tubulaire et logé
à l'intérieur de celui-ci, ledit tube interne étant
assujetti au coulisseau par des moyens de fixation et
possédant une extrémité inférieure de connexion et une
longueur telle que ladite extrémité inférieure de connexion
se trouve située au-dessus du clapet d'obturation lorsque le
coulisseau est en position haute et au-dessous dudit clapet
lorsque ledit coulisseau est en position basse,
- un manchon d'accrochage inférieur, assujetti à
la base du corps de vanne et adapté pour permettre la
fixation de tubes inférieurs de passage du fluide injecté,
ledit manchon d'accrochage inférieur possédant une extrémité
supérieure conjuguée de l'extrémité inférieure de connexion
du tube interne de façon à permettre de relier étanchement
ces extrémités tout en autorisant leur libération par un
déplacement de celles-ci dans le sens de leur écartement,
- un manchon d'accrochage supérieur, assujetti en
tête du corps de vanne et adapté pour permettre la fixation
de tubes supérieurs de passage du fluide injecté, ledit
manchon d'accrochage supérieur possédant un alésage interne
adapté pour permettre un coulissement étanché de l'extrémité
supérieure du tube interne,
- un système mécanique d'ancrage à sollicitation
hydraulique, situé en partie haute du corps de vanne au-
`~i
1 33075~
4a
dessous du manchon d'accrochage supérieur et adapté pourpermettre d'assujettir le corps de vanne dans le manchon-
réceptacle logé dans le tube de production, ledit système
comprenant des moyens d'arrêt du corps de vanne dans ledit
manchon-réceptacle, des chiens mobiles radialement pour
pouvoir pénétrer, dans la position d'arrêt, dans une gorge
d'ancrage du manchon-réceptable, et des moyens mécaniques de
manoeuvre et de verrouillage des chiens, agencés pour être
soumis à la pression du fluide de commande contenu dans le
volume étanche précité et adaptés pour repousser radialement
' .,.
':
~ ,, _ : .
:.
1 33075~)
lesdits chiens et les verrouiller dans la gorge d'ancrage
sous l'effet de ladite pression.
Selon un mode de réalisation préféré, ces moyens
de manoeuvre et de verrouillage comprennent:
. un piston-baladeur tubulaire, monté coulissant
pour pouvoir se déplacer librement dans le corps de vanne
autour de la partie haute du coulisseau, entre une position
basse de butée et une position haute de butée en l'absence
de tout blocage mécanique sur la hauteur de son déplacement,
ledit piston-baladeur étant agenc~ pour présenter une
surface soumise à la pression du fluide de commande contenu
dans le volume étanche de fa~on à subir un effort vers le
haut lorsque ledit volume est en pression.
. une douille de verrouillage en équipression,
montée coulissante dans le corps de vanne au-dessus du
piston-baladeur mais indépendamment de celui-ci de fa~on que
ledit piston-baladeur puisse uniquement exercer sur ladite
douille une poussée vers le haut sans possibilité d'entrai-
nement vers le bas, ladite douille possédant une came
périphérique adaptée pour venir en correspondance avec les
chiens et repousser radialement ceux-ci dans la position
haute du piston baladeur.
Ainsi, la vanne conforme à l'invention comprend un
système d'ancrage perfectionné du type de celui équipant la
vanne visée dans le brevet canadien no. 1,273,288, qui se
combine avec une adaptation de la structure de ladite vanne
pour permettre l'injection d'un fluide sous pression en vue
d'alléger la colonne d'effluent et permettre un
fonctionnement en débit artificiel. Les chiens sont
constitués par des pièces mécaniques robustes, non soumises
à des risques de rupture, cependant que le système de
commande hydraulique de leur verrouillage (par l'entremise
du fluide de commande agissant sur le piston-baladeur)
t~
. . ,
`:
1 33075')
présente un faible encombrement radial permettant de libérer
le volume interne central de la vanne et d'y loger le tube ~-
interne de passage du fluide injecté, tout en préservant
entre ce tube et le coulisseau un espace annulaire suffisant
pour le passage de l'effluent. Ce tube interne est porté
par le coulisseau et suit les déplacements de celui-ci; en
partie haute, il coulisse de façon étanche dans le manchon
d'accrochage supérieur de sorte que la continuité de passage
du fluide injecté est en permanence assurée à ce niveau; en
partie basse, le tube peut soit venir se connecter de façon
étanche avec le manchon d'accrochage inférieur pour assurer
la continuité de passage du fluide injecté lorsque le
coulisseau est en position basse ~venne ouverte), soit
s'escamoter vers le haut pour permettre la fermeture du
clapet lorsque le coulisseau est en position haute (vanne
fermée).
La vanne conforme à l'invention est ainsi apte à
assurer, pour un puits en débit artificiel, les mêmes
sécurités que la vanne de puits éruptifs décrite dans la
demande sus-évoquée; de plus elle bénéficie des divers
avantages de cette vanne: risques réduits de corrosions et
de dépôts, garantie d'ancrage satisfaisant,...
Selon une autre caractéristique de l'invention, le
corps de vanne est constitué de plusieurs pièces tubulaires
vissées les unes dans le prolongement des autres par des
filets à droite et comprend, en partie haute, un corps de
verrou composé de deux piaces tubulaires vissées l'une dans
le prolongement de l'autre par des filets à gauche: la pièce
inférieure contient les chiens et est vissée sur le troncon
contigu inférieur du corps de vanne (par des filets à
droite), cependant que la pièce supérieure est équipée en
partie haute d'une tête de fixation du manchon d'accrochage
supérieur.
.'~
'' '
:
1 330756
6a
Comme on le comprendra mieux plus loin, une telle
vanne peut être extraite du puits par mise en oeuvre d'une
procédure de déverrouillage et de désancrage très simple:
il suffit de dévisser les deux pièces du corps de verrou
(par une rotation appropriée du train de tubes supérieurs)
et de remonter l'ensemble par traction sur ce train de
tubes.
Par ailleurs, la structure de la vanne est de
préférence conforme à celle decrite dans le brevet canadien
no. 1,291,026. En particulier, les garnitures d'étanchéité
situées de part et d'autre de l'arrivée du fluide de
commande sont avantageusement positionnées immédiatement au-
dessous et au-dessus de ladite arrivée de fluide, le système
' ~ '" ' ' ' .-' ,': ' " ' ~ .
1 3~075~
étant situé au-dessus de la garniture supérieure, cependant
que le ressort de rappel est positionné au-dessous de la
garniture inférieure dans un logement annulaire constitué
par une partie du volume étanche destiné à recevoir le
fluide de commande.
Une telle structure permet une purge complète du
volume étanche contenant le fluide de commande lors de la
mise en pression, cependant que l'agencement du ressort de
rappel garantit une totale immersion de celui-ci dans le
lo fluide de commande. Ce ressort se trouve à l'abri des
agressions de l'effluent ou des gaz corrosifs et peut etre
réalisé en un acier à haut module d'élasticité favorable à
l'obtention d'une force de rappel élevée, stable dans le
temps.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de
l'invention ressortiront de la description qui suit en
référence aux dessins annexés, lesquels en présentent à
titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation
préférentiel; sur ces dessins ~ui font partie intégrante de
la présente description;
- la figure 1 est une vue en coupe axiale par un
plan vertical d'une vanne conforme à l'invention, en
position ouverte, ancrée dans son manchon-réceptacle,
- les figures 2 et 3 sont des demi-coupes de
détail de ladite vanne (respectivement partie basse et
partie haute de celle-ci),
- la figure 4 est une vue en coupe axiale analogue
à la figure 1, la vanne se trouvant dans la position de
fermeture,
- les figures 5, 6, 7 et 8 sont des coupes
transversales de ladite vanne respectivement par des plans
A, B, C et D,
1 3307 5~)
7a
- la figure 9 est une coupe axiale illustrant
l'opération d'ancrage de la vanne (ladite vanne étant
représentée dans une position de pré-ancrage, l'ancrage et
le verrouillage étant sur le point d'être hydrauliquement
commandés),
- enfin, la figure lo est une coupe axiale
partielle, illustrant la procédure de désancrage et
,.
1 330756
d'extraction de la vanne.
La vanne de sécurité représentée à titre d'exemple
aux figures est destinée à équiper un tube de production de
puits pétrolier appelé à travailler en débit artificiel
grâce à une injection de gaz sous pression. ~e façon
traditionnelle, le tube de production est doté d'un manchon-
r~ceptacle 1 pourvu d'une ligne d'arrivée de fluide de
commande la et d'une gorge d'ancrage lb dont les bordures
sont en forme de rampe conique (face inférieure conique lbi
lo et face supérieure conique lbs).
La vanne présente avantageusement la structure
générale de la vanne perfectionnée décrite dans le brevet
canadien no. 1,291,026 déposéee par la demanderesse; elle
comprend un corps de vanne de forme générale tubulaire,
constitué de plusieurs pièces tubulaires assujetties les
unes aux autres: corps de verrou supérieur 2, porte-joint
supérieur 3 portant une garniture d'étanchéité supérieure
15, entretoise tubulaire 4, bague-écrou de blocage 5,
chemise de ressort 6 possédant un talon supérieur 6a portant
une garniture d'étanchéité inférieure 16, manchon inférieur
7, corps d'obturation 8. Le porte-joint 3 et l'entretoise
4 sont percés de lumières 3a, 4a pour le passage du fluide
de commande provenant de la ligne la. Les garnitures
d'étanchéité, supérieure 15 et inférieure 16, sont
positionnées immédiatement au-dessus et au-dessous de la
lumière 4a. Les diverses pièces tubulaires formant le corps
de vanne sont assujetties par vissage les unes dans le
prolongement des autres au moyen de filets à droite.
A l'intérieur du corps de vanne, est monté un
coulisseau tubulaire 9 apte à se déplacer longitudinalement
dans le corps de vanne, entre une position basse
(correspondant à l'ouverture) représentée à la figure 1 et
une position haute (correspondant à la fermeture)
,
1 330756
représentée à la figure 4. Ce coulisseau est rappelé vers
sa position haute par un ressort de rappel lo qui est logé,
au-dessous des garnitures 15 et 16, dans un volume annulaire
étanche délimité par la face externe du coulisseau 9 et la
face interne de la chemise 6. Le ressort 10 s'étend entre,
d'une part, un appui supérieur constitué par une bague-écrou
19 vissée autour du coulisseau 9 (avec interposition d'une
douille auxiliaire 18), d'autre part, une douille inféri0ure
20 montée coulissante autourdudit coulisseau. Une butée
inférieure 9c limite la course vers le bas de ladite douille
par rapport au coulisseau (cette butée 9c est formée par un
épaulement ménagé sur la surface externe du coulisseau). En
outre, dans sa position basse par rapport au corps de vanne,
cette douille 20 vient s'appliquer contre un épaulement 7a
prévu à l'intérieur du corps de vanne (épaulement formé par
le chant supérieur du manchon 7 vissé dans la chemise de
ressort 6).
Ces dispositions permettent de démonter la vanne
sans danger de détente du ressort de rappel 10, puisque
celui-ci demeure prisonnier autour du coulisseau entre
l'appui supérieur 19 et la douille inférieure 20 qui vient
buter contre l'épaulement 9c dudit coulisseau.
Ce coulisseau est hydrauliquement commandé vers le
bas par le fluide de commande arrivant par la ligne la
lorsque cette dernière est mise sous pression. Ce fluide de
commande est formé par un liquide lubrifiant; lors de la
mise en pression, il passe à travers les lumières 4a et 3a,
est arrêté à l'interface corps de vanne/manchon-réceptacle
par les garnitures d'étanchéité 15 et 16 situées de part et
d'autre desdites lumières et vient remplir un volume étanche
situé entre le coulisseau et le corps de vanne.
Ce volume étanche est limité, à l'interface
coulisseau/corps de vanne:
,~
1 330756
. d'une part, par un joint d'~tanchéité supérieur :~
21 disposé au-dessus de l'arrivée du fluide de commande dans
une gorge d'un piston-baladeur 58 qui fait partie du
système d'ancrage décrit plus loin (un joint complémentaire
24 étant prévu sur la surface externe dudit piston-baladeur .: :
pour assurer l'étanchéité à l'interface de celui-ci et du
corps de vanne),
. d'autre part, par un joint d'étanchéité
inférieur 22 disposé dans une gorge au-dessous et au -:
voisinage de l'extrémité inférieure du ressort de rappel 10,
en appui contre le coulisseau. ::
Le coulisseau g présente, au niveau du joint
inférieur 22, une section plus grande que celle existant au .
niveau du joint supérieur 21 de sorte que le fluide de
commande en pression agit vers le bas sur ledit coulisseau :
par le biais de cette différence de section. - :
Il est à souligner que, lors de la pressurisation
de la ligne de fluide de commande, le ressort de rappel 10
est totalement immergé dans le liquide lubrifiant et isolé
de l'effluent; de plus la configuration du volume ~tanche
contenant le fluide de commande permet une purge de ce
volume qui préserve ce ressort de tout contact corrosif avec
des gaz.
Par ailleurs, en partie basse, le corps ~ :
d'obturateur 8 comporte un organe mobile d'obturation,
constitué par un clapet 11 qui est articulé sur ledit corps
de façon à pouvoir pivoter entre une position d'ouverture
escamotée sur le côté (figure 1) et une position de
fermeture où ledit clapet obture le corps de vanne en
s'appliquant contre un joint d'étanchéité porté par celui-ci
(figure 4). Le clapet 11 est rappelé vers la position de
fermeture par un ressort 12 disposé autour de son axe
d'articulation. :
~.' ' .
:
1 33075(~)
lOa
Sous l'effet de la commande hydraulique, le
coulisseau g est déplacé vers sa position basse jusqu'a
venir en butée avec un épaulement 8a du corps d'obturateur:
ledit coulisseau repousse alors l'organe d'obturation 11 et
le maintient dans la position d'ouverture. Lorsque la
pression du fluide de commande baisse accidentellement ou
volontairement, le ressort de rappel 10 engendre un
déplacement du coulisseau vers le haut, jusqu'à sa position
lo haute où celui-ci se trouve en retrait dans le manchon 7
(figure 4). L'organe d'obturation 11 est alors libéré et se
referme sous l'action de son propre ressort 12.
De plus, le coulisseau g porte un tube interne
concentrique 300 pour le passage d'un gaz sous pression qui
est injecté afin d'alléger la colonne d'effluent et produire
un débit artificiel.
; h ' .
1 3 3 0 7 5 ~
11 .
deux tronçons vissés l'un à la suite de l'autre: un tronçon
supérieur 9s s'étendent sur la plus grande partie de sa ::
hauteur et un troncon inférieur 9i ~figure 2); le tronçon :
supérieur 9s porte en partie basse une échancrure 9e qui est
fermée par le troncon inférieur 9i lorsque celui-ci est
vissé en bout dudit tronçon supérieur. ~
Cette échancrure 9e peut ainsi contenir et :
emprisonner une bague 301 que l'on aperçoit sur la coupe
transversale 7. Cette bague, concentrique au coulisseau 9
et au tube 300, est fixée sur les extrémités périphériques
d'ailettes radiales 302, en l'exemple au nombre de trois,
réparties autour du tube interne 300; les extrémités
centrales de ces ailettes sont fixées par soudure sur le
tube 300. En partie basse, chaque ailette 302 se prolonge
par un embout profilé de façon à réduire la perte de charge
et les turbulences qu'elles occasionnent dans l'effluent,
lequel est appelé à s'écouler de bas en haut dans l'espace
annulaire compris entre le tube interne 300 et le coulisseau -
9. ,,
Le tube interne 300 se déplace ainsi avec le
coulisseau 9 qui le porte, entre une position basse
(position d'ouverture représentée à la figure 1) et une
position haute (position d'obturation représentée à la
figure 4). Sa longueur est prévue de sorte que, dans la
position basse, son extrémité inférieure dite de connexion
300i se situe légèrement au-dessous du niveau du clapet
d'obturation 11 et que, dans sa position haute, cette
extrémité inférieure de connexion s'escamote au-dessus du
niveau dudit clapet. :
Dans la position basse, ladite extrémité
inférieure de connexion 300i vient s'accoupler avec un
manchon d'accrochage inférieur 303 dont le rôle est
d'assurer le maintien d'un train de tubes inférieurs
(représenté en ~i en traits discontinus à la figure 1) à
``` 1 33075'
l'intérieur desquels passe le gaz injecté. A cet effet, le
manchon d'accrochage inférieur 303 est doté à sa partie
basse d'un filetage à droite, autour duquel vient se visser
le dernier tube Ti du train inférieur.
Le manchon d'accrochage 303 est assujetti à la
base du corps de vanne sur le corps d'obturateur 8, grâce à
des bras radiaux 304, en l'exemple au nombre de trois
(figure 8), qui sont répartis autour dudit manchon et dont
les extrémités périphériques sont solidaires d'une base
annulaire 305 formant le nez de vanne.
En l'exemple, cette pièce 305 est vissée sur le
corps d'obturateur (par un filetage à droite). Le cas
échéant, elle pourrait être réalisée d'un seul tenant avec
ce corps (l'ensemble corps 8/pièce 305/bras 304/manchon 303
étant constitué par une seule pièce venue de fonderie).
Le manchon d'accrochage inférieur 303 est équipé
à son extrémité supérieure d'une portée conique rapportée
306, ménagée sur un court tronçon de tube vissé dans le
manchon 303 avec interposition d'un joint d'étanchéité 307.
Ce tron~on de tube est en un matériau synthétique tel que
polyamide, apte à assurer une étanchéité au contact du tube
interne 300 lorsque ce dernier se trouve en position basse;
l'extrémité inférieure de connexion 300i dudit tube interne
est taillée à une forme conique conjuguée de la portée 306
afin de réaliser la connexion étanche.
Par ailleurs, en partie haute, la vanne est
équipée d'un système d'ancrage mécanique à sollicitation
hydraulique, qui comprend essentiellement le corps de verrou
2, des chiens d'ancrage 54, une douille de verrouillage 55
et un piston-baladeur 58.
Le corps de verrou est vissé par un filetage à
droite 50 sur le tronçon contigu du corps de vanne
(constitué par le porte-joint supérieur 3). Son extrémité
~ -
: -- 1 330756
basse 51c forme intérieurement une saillie appelée à servir
de butée pour le piston-baladeur 58 en position haute.
Ce corps de verrou est composé de deux pièces
tubulaires, inférieure 51 et supérieure 52, qui sont vissées
dans le prolongement l'une de l'autre par des filets à
gauche 308. Ces filets qui sont de pas opposé à celui de
tous les autres filetages de la vanne permettent par une
rotation à droite de libérer les deux pièces 51 et 52 afin
de remonter la vanne, comme on le verra plus loin.
La pièce inférieure 51 est dotée de chiens
flottants tels que 54, qui sont logés dans des lumières de
guidage de celle-ci. En l'exemple représenté à la figure 6,
ces chiens sont au nombre de quatre répartis autour de
ladite pièce. Chaque chien formé par un dé est une pièce
mécanique compacte, sans risque de cassure, et possède des
chanfreins externes supérieur et inférieur, et interne
inférieur, de facon à pouvoir jouer radialement lorsque la
douille de verrouillage 55 ou le manchon-réceptacle 1 vient
en appui contre l'un de ces chanfreins. De plus, des
épaulements 54a, prévus latéralement à l'intérieur de chaque
chien, interdisent l'échappement complet vers l'extérieur de
chaque chien en venant en butée contre la pièce 51 du corps
de verrou. Chaque chien peut ainsi faire saillie du corps
de verrou comme le représentent les figures 1 et 6 (position
d'ancrage) ou au contraire s'escamoter dans celui-ci (comme
représenté aux figures 9 ou 10).
La pièce inférieure 51 du corps de verrou comporte
un épaulement d'arrêt 51a, qui est situé au-dessous et à
proximité des chiens 54. Cet épaulement présente la forme
d'une rampe conique orientée vers le bas, de façon à venir
au contact de la face inférieure conique lbi de la gorge
d'ancrage lb lorsque la vanne est descendue dans le manchon-
réceptacle 1. Le corps de verrou présente, au-dessus de cet
epaulement 51a, un diamètre légèrement plus grand qu'au-
,'~ .
- 1 33075
14
dessous de celui-ci, l'alésage du manchon-réceptacle 1 ayant
des formes conjuguées. Ainsi, lors de la mise en place, la
descente de la vanne dans le tube de production est arrêtée
lorsque son épaulement 51a vient au contact de la face
inférieure lbi de la gorge d'ancrage, les chiens 54 se
trouvant alors en regard de ladite gorge.
En outre, la pièce inférieure 51 du corps de
verrou est intérieurement dotée au-dessous du niveau des
chiens, d'un épaulement d'accrochage 51b présentant la forme
d'une rampe conique orientée vers le bas. Comme on le verra
plus loin, cet épaulement permet l'accrochage de la douille
de verrouillage 55 à la pièce 51 en cas de séparation par
dévissage des pièces 51 et 52.
De plus, la pièce supérieure 52 comprend également
une face interne 52b qui présente la forme d'une rampe
conique orientée vers le bas, adaptée pour servir de butée
extrême à la douille de verrouillage 55.
La pièce supérieure 52 comprend enfin un
épaulement interne 52c qui présente la forme d'une rampe
conique orientée vers le haut, en vue de permettre un
accrochage de ladite pièce supérieure 52 sur la douille de
verrouillage 55 après dévissage des pièces 51 et 52.
Le déplacement radial des chiens 54 vers leur
position d'ancrage et le verrouillage de ceux-ci dans cette
position sont assurés par la douille de verrouillage 55 déj~
évoquée, cette douille étant déplacée longitudinalement à
cet effet par le piston-baladeur 58.
Ladite douille de verrouillage 55 en équipression
est montée coulissante dans le corps de verrou avec inter-
position d'un joint de freinage 59 à l'interface douille/pièce inférieure 51; la douille est indépendante du piston-
baladeur 58 qui peut uniquement exercer sur celle-ci une
poussés vers le haut. Ladite douille de verrouillage 55
possède une came périphérique 56 qui est adaptée pour
~ -
.. ,-~,. . - ~ - , , ~, - ~
` `1 330756
repousser radialement les chiens 54 vers l'extérieur
lorsqu'elle parvient au niveau de ceux-ci.
Cette came 56 possède une face supérieure 56a, qui
présente la forme d'une rampe conique orientée vers le haut,
de façon à pouvoir repousser les chiens 54 lorsqu'elle
rentre en contact avec ceux-ci. De plus, cette face
supérieure 56a limite la course de la douille 55 en venant
le cas échéant en butée contre la face interne 52b de la
pièce supérieure 52.
loLa douille de verrouillage 55 est en outre pourvue
d'un épaulement d'accrochage 55a, situé au-dessous du niveau
de sa came 56 et conjugué de l'épaulement d'accrochage 51b
de la pièce 51 de façon à pouvoir coopérer avec ce dernier
après dévissage des pièces 51 et 52 et dégagement vers le
15haut de la came 56 par rapport aux chiens 54 : la pièce 51
se trouve alors accrochée à la douille 55.
De plus, la douille de verrouillage 55 est
extérieurement pourvue en partie haute d'un accrochage
périphérique 57, constitué en l'exemple par une bague vissée
autour de celle-ci. Cette bague présente une face
inférieure conique 57a, adaptée pour pouvoir venir en
contact avec l'épaulement interne 52c de la pièce supérieure
52 du corps de verrou, en vue de réaliser un accrochage de
ladite pièce supérieure sur ladite douille après dévissage
des pièces 51 et 52.
Par ailleurs, le piston-baladeur 58 qui est appelé
à déplacer la douille de verrouillage 55 vers sa position
haute d'ancrage est formé par un tronçon de tube, adapté
pour pouvoir librement coulisser de façon étanche entre le
corps de vanne (partie haute du porte-joint 3) et
l'extrémité supérieure du coulisseau 9.
Ce piston-baladeur 58 est pourvu des joints
d'étanchéité déjà évoqués, interne 21 à l'interface
coulisseau/piston-baladeur, et externe 24 à l'interface
X
.
1 3307 ~
16
piston-baladeur/corps de vanne; ces joints qui limitent en
partie haute le volume étanche contenant le fluide de
commande sont de diamètres differents de façon à définir une
surface par laquelle le piston-baladeur est soumis à la
pression du fluide de commande en vue d'engendrer son
déplacement vers le haut. Il est à noter que le piston-
baladeur 58 est libre de coulisser sous l'effet des
pressions hydrauliques en l'absence de tout blocage
mécanique.
Ainsi, dans la vanne conforme à l'invention, le
fluide de commande agit en premier lieu sur le piston-
baladeur 58 pour tendre à le déplacer vers le haut depuis,
une position basse où celui-ci se trouve en butée contre un
épaulement 3b du porte-joint 3 (figure 4) vers une position
haute où ledit piston-baladeur vient en butée contre la
saillie 51c que forme l'extrémité basse de la pièce 51
(figures 1 et 3). Au cours de son déplacement, le piston-
baladeur repousse la douille de verrouillage 55 amenant la
came 56 de celle-ci à manoeuvrer radialement les chiens 54
et à les verrouiller.
D'autre part, le fluide de commande agit sur le
coulisseau 9 pour tendre à le déplacer vers le bas, depuis
sa position haute d'obturation (figure 4) où la bague-écrou
19 vient en butée supérieure contre le talon 6a de la
chemise de ressort 6, vers une position basse d'ouverture
(figure 1) où ledit coulisseau vient en butée contre
l'épaulement 8a du corps d'obturation 8.
Par ailleurs, le tube interne 300 qui permet
l'injection de gaz sous pression pénètre en partie haute
dans un manchon d'accrochage supérieur 309 qui possède un
alésage 309a muni d'un joint d'étanchéité 310, calibré pour
permettre un coulissement étanche de l'extrémité supérieure
dudit tube interne 300. La longueur du tube 300 est telle
que son extrémité supérieure reste en permanence étanchement
-: 1 33075~,
engagée dans cet alésage quelle que soit sa position haute
ou basse.
A sa partie haute, le manchon est taraudé à droite
pour permettre d'y visser le premier tube Ts d'un train de
tubes supérieures (traits discontinus à la figure 1).
Le manchon d'accrochage supérieur 309 est
assujetti en tête du corps de vanne, sur la pièce supérieure
52 du corps de verrou, par des bras radiaux 311, en
l'exemple au nombre de trois, répartis autour dudit manchon
(figure 5). L'extrémité périphérique de ces bras est
solidaire d'une tête de fixation annulaire 312 vissée par
des filets à droite sur la pièce supérieure 52.
La structure de la vanne conforme à l'invention
ayant été décrite en détail, on va préciser ci-après les
procédures de pose et de dépose.
La pose et l'ancrage de la vanne sont réalisés de
la facon suivante (figure 9).
La vanne étant hors pression, son coulisseau 9 se
trouve en position haute par l'action du ressort de rappel
10; le tube interne 300 solidarisé au coulisseau 9 se trouve
lui-même en position haute. Le clapet 11 est fermé. De
plus, le piston-baladeur 58 et la douille de verrouillage 55
sont en position basse, les chiens 54 étant libres de
s'effacer.
Un train de tubes inférieurs Ti dont la longueur
peut aller jusqu'à 3 000 mètres est d'abord descendu dans le
puits de fa~con traditionnelle au moyen d'outils à mâchoires
classiques. On visse la vanne par son manchon d'ancrage
inférieur 303 sur l'extrémité haute du train de tubes
inférieurs; on visse ensuite le manchon d'ancrage supérieur
309 sur l'extrémité basse d'un autre train de tubes ls et
l'ensemble est descendu au moyen des outils à mâchoires
classiques. Le train de tubes supérieurs Ts possède
généralement une longueur de l'ordre de 100 à 150 mètres.
` 1 33075i~)
18
La vanne pénètre dans le manchon-réceptacle 1 du
tube de production du puits; l'effort d'engagement des
garnitures 15 et 16 est vaincu par le poids du train de
tubes inférieurs (plusieurs tonnes). Les chiens 54 de la
vanne qui sont flottants, s'effacent à l'entrée du manchon-
réceptacle.
L'engagement dans le manchon-réceptacle se
poursuit jusqu'à ce que la vanne soit arrêtée par
l'épaulement d'arrêt lbi dudit manchon-réceptacle, contre
lequel vient en butée l'épaulement d'arrêt 51a de celle-ci
(figure 9).
On pressurise alors le circuit de fluide de
commande; l'huile pénètre dans le volume étanche décrit
précédemment et monte en pression. Le piston-baladeur 58 de
la vanne est soumis à une force vers le haut et monte en
repoussant la douille de verrouillage 55 jusqu'à sa position
haute. Au cours de son déplacement, la douille manoeuvre
radialement les chiens 54 et les verrouille à l'intérieur de
la gorge d'ancrage lb. La vanne se trouve à cet instant
ancré dans la position représentée à la figure 4 (à
l'exception toutefois du piston-baladeur qui se trouve en
- position haute).
La pression de l'huile continue à monter jusqu'à
vaincre la force de rappel du ressort 10: le coulisseau 9
se déplace alors vers le bas et l'organe d'obturation 11 est
repoussé vers la position d'ouverture (figure 1).
Le tube interne 300 descend avec le coulisseau 9
et, en fin de course basse, vient coopérer avec la portée
conique 306 du manchon d'ancrage inférieur 303, cependant
qu'en partie haute, l'extrémité supérieure dudit tube
interne a coulissé dans le manchon d'ancrage supérieur 309
demeurant étanchement engagée dans celui-ci.
La vanne est ouverte et la continuité du circuit
de fluide injecté est assurée.
1 33~)75~
. .
19
Pour vérifier si la vanne est correctement ancrée,
il suffit d'opérer sur les tubes supérieurs Ts une traction
supérieure au poids de l'ensemble; les chiens 54, s'ils sont
correctement ancrés et verrouillés, viennent buter contre la
face supérieure lbs de la gorge d'ancrage. L'ensemble est
alors dans l'impossibilité de remonter: un appareillage de
mesure permet alors de constater l'absence rigoureuse de
déplacement alors que l'effort exercé est très supérieur au
poids des trains de tubes et de la vanne.
En cas de mauvais ancrage, l'ensemble remonte dans
le puits et le défaut pourra être décelé en surface. La
vanne de l'invention offre donc la faculté de s'assurer, à
chaque mise en place, que l'ancrage a été correctement
obtenu, un mauvais ancrage pouvant provenir de multiples
causes: détérioration des garnitures d'étanchéité 15 et 16
en cours de descente ou détérioration du manchon-réceptacle
1 au niveau desdites garnitures (interdisant une mise en
pression du fluide de commande), dépôt dû à l'effluent dans
la gorge d'ancrage lb, (empêchant la sortie des chiens
54)...
Par ailleurs, la vanne une fois correctement
ancrée dans le puits pétrolier peut être refermée de facon
classique par une purge volontaire ou accidentelle de sa
ligne de commande hydraulique et arrêt du gaz injecté. Elle
vient alors dans la position de la figure 4. Le ressort de
rappel lo a entraîné un déplacement vers le haut du
coulisseau 9 et du tube interne 300 qui lui est lié,
libérant l'organe d'obturation 11 lequel se referme sous
l'action de son ressort propre 12 aidé par la pression du
puits (pressurisé par le gaz déjà injecté).
Une fois la vanne fermée, le puits ne débite plus,
mais les pressions sont équilibrées au-dessus et au-dessous
de l'organe 11 tant que le tube de production n'est pas
purgé dans son tronçon supérieur. La pression qui règne
,~
1 33n75~
dans ce dernier agit sur le piston-baladeur 58 qui redescend
dans sa position basse; tou-tefois, la douille 55 reste en
place grâce à la dureté du joint de freinage 59.
Lorsque l'on effectue la purge du tronçon
supérieur du tube de production, la pression amont du puits
s'applique sur la section complète de la vanne; les chiens
54 de la vanne viennent alors s'appliquer contre la face
supérieurs conique lbs de la gorge d'ancrage lb, ce qui
conditionne un effet de verrouillage de la douille 55
d'autant plus puissant que la pression du puits est élevée:
la vanne bénéficie d'un auto-verrouillage proportionnel à la
pression du puits.
La réouverture de la vanne est réalisée, d'abord
en injectant dans les tubes supérieurs Ts et tube interne
300 du gaz sous pression afin d'équilibrer la pression de
part et d'autre du clapet, puis en mettant à nouveau en
pression la ligne de commande hydraulique: le piston-
baladeur 58 remonte contre la douille 55 et contre sa butée
51e et l'ouverture se produit comme précédemment expliqué
par déplacement du coulisseau 9 et du tube interne 300 vers
le bas sous la pression du fluide de commande.
Par ailleurs, le désancrage et la remontée de la
vanne conforme à l'invention sont réalisés de la façon
suivante (figure 10).
Le ligne de commande hydraulique étant purgée et
l'injection de gaz stoppée, le puits est mis en sécurité,
c'est-à-dire dans l'impossibilité de débiter (grâce à un
équilibrage préalable par pompage d'eau). Le train
supérieur de tubes est ensuite amené à tourner à droite par
des clés standards de fac~on à dévisser le filetage à gauche
308 qui lie la pièce supérieure 52 du corps de verrou et la
pièce inférieure 51. Lorsque ces deux pièces sont
désolidarisées, on assure une traction sur le train de tubes
supérieurs, ce qui a pour effet d'amener l'épaulement 52c de
. ~
"' ' :- ' '
' -'~' .
1 33075~)
21
la pièce supérieure au contact avec l'épaulement 57a de la
douille de verrouillage 55.
En conséquence, cette douille de verrouillage 55
remonte jusqu'à ce que son épaulement 55a vienne en appui
contre l'épaulement 51b de la pièce inférieure du corps de
verrou. Les chiens 54 sont alors libérés et peuvent
s'effacer vers l'intérieur: la poursuite de la traction
engendre la remontée de la vanne jusqu'au déboîtement des
garnitures d'étanchéité 15 et 16, la vanne pouvant ensuite
être remontée en surface.
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