EP1360392B1

EP1360392B1 - Vanne de securite pour puits petrolier

Info

Publication number: EP1360392B1
Application number: EP02711970A
Authority: EP
Inventors: Jean-Robert Sangla
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Pyreneenne de Metallurgie Ste
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN; Pyreneenne de Metallurgie Ste
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2022-01-16
Also published as: US7040409B2; WO2002063129A1; FR2820457B1; EP1360392A1; ATE368796T1; US20040045722A1; FR2820457A1; DE60221499D1

Description

La présente invention concerne un procédé de remise en sécurité d'un puits pétrolier équipé ou non d'une vanne de sécurité de fond défaillante.
On sait que, pour des raisons de sécurité, les puits pétroliers sont généralement équipés de vannes de sécurité de fond qui sont, soit intercalées entre la connexion de deux éléments de tubes, soit insérées dans un réceptacle logé dans le tube de production du puits à quelques dizaines ou centaines de mètres de profondeur. Ces vannes ont pour fonction de permettre de stopper automatiquement la production d'effluent si un incident survient en tête de puits ou en aval de celles-ci. Elles sont souvent commandées depuis la surface par une pression hydraulique à l'ouverture et se ferment automatiquement au moyen d'un puissant ressort de rappel dès l'apparition d'une chute de la pression hydraulique sur la ligne de commande, que cette chute soit commandée ou accidentelle.
La ligne de commande hydraulique peut aussi présenter des défauts (fuite, ligne bouchée ou cassée), la vanne de sécurité ne peut plus alors jouer son rôle. Elle reste généralement fermée sous l'action de son ressort et obture le passage de l'effluent.
Deux solutions s'offrent actuellement à l'exploitant pour pallier à cette déficience. Il peut extraire la vanne de sécurité du tube de production (après mise en place d'un sas en tête de puits) et fermer ensuite la ligne de commande défectueuse en mettant en place dans le tube de production une chemise d'isolation dotée de garnitures d'étanchéité qui isolent l'arrivée du fluide de commande à travers le réceptacle. Le puits peut à nouveau produire mais il se trouve alors en dehors des normes de sécurité puisqu'il n'est plus équipé d'une vanne de sécurité de fond. Une autre solution évitant ce fonctionnement hors norme consiste à "tuer" le puits, c'est-à-dire à équilibrer la pression du gisement avec une colonne hydrostatique de boue de densité adéquate, puis en intervenant dans le puits pour réparer selon les techniques de la profession. Cette solution qui permet ensuite de travailler selon les normes de sécurité, est extrêmement lourde et onéreuse.
On connaît, par le document FR-2734863 , un procédé et un dispositif permettant de rétablir la sécurité du puits en installant, selon les règles du métier, une vanne spéciale de sécurité. Cependant, la technique selon ce document nécessite la remontée de la vanne de fond défectueuse et la réutilisation de son réceptacle pour mettre en place la vanne spéciale. Ainsi, cette méthode impose une cote précise à laquelle est fixée la nouvelle vanne, compte tenu de la réutilisation du réceptacle pour son système de verrouillage et son étanchéité.
On connaît le document US 5 305 828 qui décrit une combinaison entre un "packer " et une vanne de sécurité qui nécessite plusieurs niveaux de pression pour son fonctionnement.
La présente invention concerne une vanne de sécurité de puits comportant des perfectionnements par rapport à la vanne spéciale et les outillages tels que décrit dans le document déjà cité FR-2734863 . La présente vanne selon l'invention peut se mettre en place directement dans l'espace intérieur d'un tube de production de diamètre intérieur connu, sans nécessiter de réceptacle adapté. Ainsi, il n'y a plus besoin d'ajustage de la longueur des tiges de liaison entre la vanne et la tête de puits en surface.
Ainsi, la présente invention concerne une vanne de sécurité de puits mise en place dans un tube de production, comprenant un corps comportant des moyens d'obturation d'un passage interne au corps, des moyens d'ancrage du corps dans le tube, des moyens d'étanchéité entre le corps et la paroi du tube, la vanne comprenant des moyens de communication d'une pression hydraulique outre la vanne et la surface du puits. Selon l'invention, les moyens d'obturation, d'ancrage et d'étanchéité comportent des moyens d'activation hydraulique tels que la pression hydraulique transmise de la surface active les moyens de façon à ouvrir ledit passage, ancrer la vanne dans le tube et activer les moyens d'étanchéité sur la paroi du tube.
Les moyens d'étanchéité comportent un empilage de plusieurs joints annulaires en matériau résilient pouvant être comprimé par le déplacement d'une chemise de compression d'un piston hydraulique et la section des joints annulaires est en forme d'un V dont la longueur des branches est dissymétrique, la branche en contact intérieur avec le corps de la vanne étant la plus courte, la branche en contact avec la paroi du tube, après compression de l'empilage par le piston, est déformée pour entrer en contact avec la paroi du tube.
Les moyens d'obturation peuvent comporter un clapet maintenu en position fermée par un moyen de rappel, un piston hydraulique fournissant en pression un déplacement longitudinal d'une chemise de façon à maintenir ouvert le clapet.
Les moyens d'ancrage peuvent comporter des mâchoires pouvant être déplacées de façon radiale contre la paroi du tube par une chemise d'ancrage d'un piston hydraulique.
L'ancrage peut être mécaniquement verrouillé par des moyens d'immobilisation de la chemise d'ancrage.
L'empilage peut comporter une coupelle métallique anti extrusion dont le diamètre extérieur est environ le diamètre extérieur du corps de la vanne avant compression de l'empilage.
L'empilage peut être constitué de huit coupelles en V en élastomère du type HNBR de dureté shore A environ 80.
L'empilage peut être mécaniquement maintenu comprimé par des moyens d'immobilisation de la chemise de compression.
Les moyens de communication hydraulique peuvent être constitués par des éléments tubulaires assemblés entre eux par des raccords, une extrémité d'un premier élément est connectée au corps de ladite vanne, une extrémité de l'élément supérieur est connectée à un élément de suspension.
L'élément de suspension peut être maintenu dans un adapteur fixé sur la tête du puits et comportant des moyens de communication hydraulique avec lesdits éléments tubulaires.
L'adapteur peut comporter des mâchoires à déplacement radial destinées à être serrées sur lesdits éléments tubulaires.
L'invention concerne également une méthode de mise en place de la vanne selon l'invention dans un tube de production, dans laquelle on effectue les étapes suivantes :

on assemble un adapteur sur la tête de puits,
on descend la vanne dans le tube de production en assemblant un nombre d'éléments tubulaires correspondant à la cote désirée,
on suspend la vanne et ses éléments tubulaires sur l'adapteur par l'intermédiaire d'une tête de suspension, et on connecte le conduit hydraulique desdits éléments tubulaires à une source de pression en surface,
on met en pression la vanne pour ouvrir le passage, ancrer le corps de la vanne dans le tube à la cote où elle se trouve, comprimer l'empilage de joints pour réaliser l'étanchéité annulaire.

Selon la méthode, on peut mettre en sécurité le puits en faisant chuter la pression dans la vanne pour fermer lesdits moyens d'obturation du passage sans déverrouiller l'ancrage ni désactiver l'empilage des joints d'étanchéité annulaire.
On peut déconnecter et remonter les éléments tubulaires avant de descendre un outil adapté à se connecter sur la tête du corps de la vanne et à déverrouiller par battage les ancrages et les moyens de compression de l'empilage.
La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description des exemples suivants, nullement limitatifs, illustrés par les figures ci-après annexées, parmi lesquelles :

les figures 1A et 1 B montrent schématiquement une vanne selon l'art antérieur,
les figures 2A et 2B montrent schématiquement une installation comportant une vanne selon la présente invention,
la figure 3 montre en coupe longitudinale un mode de réalisation d'une vanne selon l'invention,
les figures 4A et 4B montrent schématiquement le principe de l'ensemble des moyens d'étanchéité et d'ancrage de la vanne selon l'invention.

La figure 1A montre un puits pétrolier 1 équipé d'une vanne de sécurité de fond 2 dont la ligne de commande hydraulique 3 est défectueuse. Le puits comporte un tube de production 4 (tubing) en communication avec un arbre de noël 5. Cette vanne de sécurité est positionnée dans un réceptacle 6 (nipple). Pour réparer et remettre en conformité le puits, il faut enlever la vanne de son siège pour installer une nouvelle vanne qui permettra de rétablir la production dans les plus brefs délais, et en toute sécurité. Dans le cas où la ligne de contrôle ne peut plus être opérationnelle, on peut installer une vanne de sécurité dans le siège ou réceptacle 6, vanne telle que décrite dans le document FR-2734863 , cité ici en référence.
La figure 1B montre cette vanne constituée de trois principaux ensembles :

l'ensemble d'obturation 7, ou vanne proprement dite, commandé par pression hydraulique,
l'ensemble de brides d'adaptation et de liaison 8,
et l'ensemble des lignes 9 de liaison entre cet « adapter » 8 et la vanne 7.

Le détail de ces équipements et des procédures de mise en place ou d'opérations sont clairement décrits dans le document cité plus haut. Compte tenu de la longueur fixée entre le réceptacle et la position de l'élément d'adaptation 8, le nombre de tiges 9 et leur longueur totale doivent être déterminés en fonction du puits en question.
La figure 2A montre un puits 11 comportant un tube de production 10 de diamètre intérieur connu. Dans le cas où il s'avère nécessaire d'ajouter une vanne de sécurité à l'intérieur de ce tube, on peut utiliser avantageusement le système selon l'invention, représenté schématiquement sur la figure 2B. Un adaptateur 12 est intercalé entre les vannes maîtresses 13 et la suspension du tube de production (tubing hanger). Ce dispositif est similaire à celui décrit dans le document FR-2734863 en ce qu'il possède au moins les deux fonctions: suspension des tiges de commandes 14 grâce aux vis latérales inférieures 50, et étanchéité autour de la tête de suspension 21 de façon à communiquer avec une ligne extérieure 15 de commande hydraulique. Mais selon la présente variante, l'adapteur 12 possède en plus deux mâchoires 51a et 51b permettant la manoeuvre de la vanne et des éléments de tiges dans le tubing. Ainsi, la suspension et l'accrochage des tiges se fait par le serrage des mâchoires sur les tiges. Les tiges de commande 14 peuvent aussi être celles de l'art antérieur. Elle peuvent être constituées d'un élément tubulaire de longueur maximum environ 6 mètres et équipé en extrémité de raccords rapides male et femelle, de façon à pouvoir être connectés entre éléments. Une des tiges, est équipée d'un élément ou raccord de dilatation 16 pour absorber la variation de longueur de l'ensemble des tiges compte tenu des variations possibles de la température. La vanne 17 comprend les moyens fonctionnels suivants:

des moyens d'obturation 18 du canal intérieur du corps de la vanne;
des moyens d'ancrage 19 de la vanne 17 dans l'intérieur du tube de production 10 ;
des moyens d'étanchéité 20 entre le corps de la vanne et l'intérieur du tube 10.

Dans une variante, il y a deux étages d'ancrage, dans une autre variante, un seul étage est nécessaire.
La descente de la vanne se fait après avoir équipé l'élément de suspension de la conduite de production 10 d'un adaptateur 12 qui est utilisé pour suspendre l'ensemble du système une fois celui-ci entièrement descendu dans le puits, pour maintenir les éléments de connexion les uns après les autres, pour permettre leur connexion entre eux, pour descendre l'ensemble étapes après étapes. Le puits étant en pression, un sas monté sur l'arbre de noël, permet la procédure de manoeuvre dans le puits. La procédure de manoeuvre se fait conventionnellement au câble (« wireline »). Cette procédure consiste à descendre la vanne et les éléments de connexion en plusieurs étapes. Etape 1 : la vanne accrochée à son premier élément de tiges 14 est descendue jusqu'au maintien de la partie supérieure du premier élément par les mâchoires, permettant ainsi la suspension et l'accrochage du premier élément sur l'adaptateur 12 . Etape 2 : L'élément de tige standard est descendu et est connecté au premier élément accroché à l'adaptateur 12. Les mâchoires de maintien sont ensuite ouvertes pour permettre la descente du premier élément accroché au deuxième élément de tige jusqu'au maintien de la partie supérieure de l'élément standard par les mâchoires, permettant ainsi la suspension et l'accrochage de ses deux éléments sur l'adaptateur 12. Etape 3. Cette étape 3 est identique à l'étape 2 et multipliée autant de fois qu'il est nécessaire en fonction du nombre de tiges nécessaire compte tenu de la cote d'installation de la vanne. Dernière étape : Cette dernière étape consiste à descendre le dernier élément comportant dans sa partie haute la tête de suspension 21 et à le connecter sur le dernier élément standard maintenu par les mâchoires. Les mâchoires sont ensuite ouvertes permettant la descente de l'ensemble complet et la pose ainsi que le verrouillage de la suspension 21 dans l'adaptateur 12.
Lorsque l'on applique une pression hydraulique dans la ligne de contrôle 15, on active les différents moyens fonctionnels de la vanne 17, c'est à dire, la vanne s'ouvre après basculement du clapet 18, les « chiens » d'ancrage 19 sont expansés de façon radiale pour immobiliser le corps de la vanne dans le tube, la garniture d'étanchéité est comprimée pour s'appuyer sur la paroi du tube et effectuer une étanchéité.
La figure 3 montre en coupe plus de détails de la constitution de la vanne 17. Le clapet 18 est en position fermée grâce à l'action d'un ressort (non représenté). Il est ouvert par le déplacement d'un tube 23 sous l'action de poussée d'un anneau 24 lié à un piston 25. En présence d'une pression hydraulique suffisante dans la chambre 26, le piston appuie sur le tube 23 par l'intermédiaire de l'anneau 24 jusqu'à comprimer le ressort 27 et à faire coulisser ledit tube qui fait basculer l'opercule 18. En absence de pression dans la chambre 26, le ressort de rappel 27 repousse le tube 23 et l'opercule se ferme en mettant en sécurité le puits.
Des coins d'ancrage 19 sont déplacés de façon radiale par un piston 28 dont l'extrémité est en forme de cône sur laquelle s'appuient lesdits coins d'ancrage 19. Le piston 28 est poussé sous les coins par la pression hydraulique dans la chambre 29, le déplacement du piston bloquant les coins sur la paroi du tube 10. Des moyens de verrouillage 30 de la position du piston d'ancrage 28 permet de maintenir en place ce piston même lorsque la pression a chutée dans la chambre 30. Ces moyens de verrouillage peuvent fonctionner selon le principe de cliquet ou de denture. Sur la figure 3, on retrouve un second ensemble : coins 19a, piston 28a, chambre hydraulique 29a, verrouillage 30a, dans la partie supérieure du corps de la pompe. Cependant, l'invention ne se limitera pas à deux ensembles d'ancrage, dans la plupart des réalisations un seul ensemble d'ancrage est nécessaire.
La présente vanne comprend également des moyens d'étanchéité entre le corps de la vanne et le tube de production 10. Cet ensemble est un élément essentiel en ce qu'en cas de défaillance la vanne de sécurité est totalement inopérante et en ce qu'il est délicat de faire une étanchéité sur une surface brute comme une paroi d'un tube de production. Ces moyens d'étanchéité comprennent un ensemble de garniture 20 qui est activé sur la paroi du tube par un piston 31 déplacé par la pression hydraulique qui se trouve dans la chambre 32. Des moyens de verrouillage 33 maintiennent le piston 31 en place même sans pression dans la chambre 32.
Un conduit 34 en communication avec un connecteur 22, distribue la pression hydraulique dans les chambres décrites ci-dessus : la chambre d'ouverture de la vanne 26, la ou les chambres d'ancrage 29 et 29a, la chambre des moyens d'étanchéité 32. Le connecteur 22 est relié à la surface par les tiges 14 (figure 2B). Il faut noter que la montée en pression hydraulique dans le conduit 34 (environ 35 MPa), transmet l'énergie de pression dans toutes les chambres à la fois ce qui réalise, sensiblement dans le même temps: l'ouverture de la vanne, son ancrage et son étanchéité dans le tubing. Lorsque la pression hydraulique chute dans le conduit 34, la vanne se ferme mais reste en place, ancrée et étanche. Un profil spécial 35 situé en tête du corps de la vanne permet de désancrer le corps de vanne par traction et battage à l'aide d'un outil de repêchage adapté à ce profil. Par battage sur le corps de la vanne, on casse une série de goupilles de cisaillement qui libèrent le ou les pistons d'ancrage 28, 28a, ainsi que le piston d'étanchéité 31. La vanne libérée peut être alors remontée en surface.
Les figures 4A et 4B illustrent schématiquement le principe de l'ensemble de garniture 20 des moyens d'étanchéités entre le corps porte garniture 36 et le tube de production 10. La référence (j) désigne le jeu radial entre le diamètre extérieur des garniture d'étanchéité 37 et le diamètre intérieur du tube. Ce jeu est généralement de l'ordre de 2,5 mm, mais peut atteindre 5 mm. La garniture est constituée d'un empilage de huit coupelles 38 de forme optimisée pour résister à la pression après avoir été déformées contre la paroi du tube. La pièce 40 constitue l'appui sur lequel est comprimé, selon un effort axial, l'empilage des coupelles 38. La pièce 41 désigne le nez du piston (référencé 31 sur la figure 3). Une coupelle anti extrusion 39 est intercalée entre la première coupelle et le nez du piston 41. Il faut noter que la pression du puits s'applique dans le sens de la flèche référencée 42.
La forme optimisée des coupelles 38 résulte de la forme générale en chevron dits en « U » ou « V », dans laquelle la section des coupelles présentent une symétrie selon un axe parallèle à l'axe central (on pourra se référer à l'ouvrage technique : « Seals and Sealing Handbook » -Ed. The Trade and Technical Press Limited, 1985). Ces joints conviennent pour des montages sans rattrapage de jeu, ou de quelques dixièmes de millimètre seulement. En effet, on a vérifié que des joints de section à axe de symétrie ne sont pas compatibles avec des rattrapages de jeu important, par exemple supérieur à 2,5 mm, en particulier dans le cas de tenue à une pression supérieure à 5000 PSI, c'est à dire environ 350 MPa.
Pour qu'une garniture d'étanchéité puisse rattraper un jeu de quelques millimètres, on a déterminé qu'il faut optimiser notamment : la capacité de déformation du matériau, la tenue à la pression de ce même matériau, le niveau des frictions sur le porte garniture de façon que les déformations nécessaires soient obtenues avec de moindres efforts.
La figure 4B illustre de façon schématique l'ensemble de la garniture une fois comprimé par l'action du piston 41. La partie intérieure de l'empilage des coupelles fait étanchéité sur la surface 43 du porte-garniture 36. La coupelle métallique anti extrusion 39 se déforme pour s'arc-bouter sur la paroi interne 44 du tube de production. La lèvre externe des coupelles est relevée pour également s'appuyer sur le tube et obturer l'espace annulaire. En pression, selon la flèche 42, les garnitures s'appuient plus fortement sur le tube tout en étant maintenues par la coupelle anti extrusion.
La forme optimisée des coupelles d'étanchéité peut être définie ainsi : la section de la coupelle est en forme de V dont une des branches, celle au contact avec la surface du porte-garniture (diamètre intérieur de la coupelle), est raccourcie 47. Ainsi, la pointe 45 du V ne se trouve plus dans la position médiane de l'espace annulaire entre le cylindre porte-garniture et la paroi intérieure du tube, mais est décalée et plus proche du porte-garniture. La branche du V 46 qui supporte le plus de déformation, celle qui se trouve du coté jeu j, est la plus longue favorisant son déplacement sous l'action du piston. La forme de l'extrémité des deux branches du chevron dissymétrique est adaptée à se plaquer efficacement sur les surfaces cylindriques du porte-garniture et du tube de production. On a vérifié par expérience et calculs aux éléments finis que cette forme dissymétrique des coupelles fournit des contraintes de contact les plus régulières et donc une bonne tenue à la pression.
Comme matériau, on pourra utiliser du caoutchouc HNBR de dureté 80 Shore A qui convient également pour les températures courantes dans les puits de production.
Selon l'invention, le nombre de coupelles est choisi à huit dans le cas d'une vanne adaptée à être descendue dans un tube d'environ 75 à 80 mm de diamètre intérieur. L'invention ne se limite pas à ce nombre de coupelles qui peut varier en fonction de la pression de service et/ou la nature des fluides.

Claims

Vanne de sécurité de puits mise en place dans un tube de production (10), comprenant un corps (17) comportant des moyens d'obturation (18) d'un passage interne audit corps, des moyens d'ancrage (19) dudit corps dans ledit tube, des moyens d'étanchéité (20) entre ledit corps et la paroi du tube, ladite vanne comprenant des moyens de communication (14) d'une pression hydraulique entre ladite vanne et la surface du puits, lesdits moyens d'obturation, d'ancrage et d'étanchéité comportant des moyens d'activation hydraulique (25, 28, 31) tels que ladite pression hydraulique transmise de la surface active lesdits moyens de façon à ouvrir ledit passage, ancrer la vanne dans le tube et activer les moyens d'étanchéité sur la paroi du tube, caractérisée en ce que lesdits moyens d'étanchéité comportent un empilage de plusieurs joints annulaires (38) en matériau résilient pouvant être comprimé par le déplacement d'une chemise de compression (41) d'un piston hydraulique et dans laquelle la section desdits joints annulaires est en forme d'un V dont la longueur des branches est dissymétrique, la branche en contact intérieur (47) avec le corps de la vanne étant la plus courte, la branche (46) en contact avec la paroi du tube, après compression de l'empilage par le piston, est déformée pour entrer en contact avec la paroi du tube.
Vanne selon la revendication 1, dans laquelle lesdits moyens d'obturation comportent un clapet (18) maintenu en position fermée par un moyen de rappel (27) , un piston hydraulique (26) fournissant en pression un déplacement longitudinal d'une chemise (23) de façon à maintenir ouvert ledit Clapet.
Vanne selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle lesdits moyens d'ancrage comportent des mâchoires (19) pouvant être déplacées de façon radiale contre la paroi du tube par une chemise d'ancrage (28a) d'un piston hydraulique (29a).
Vanne selon la revendication 3, dans laquelle l'ancrage est mécaniquement verrouillé par des moyens d'immobilisation (30a) de la chemise d'ancrage.
Vanne selon l'une des revendications 1 ou 4, dans laquelle ledit empilage comporte une coupelle métallique (39) anti extrusion dont le diamètre extérieur est environ le diamètre extérieur du corps de la vanne avant compression de l'empilage.
Vanne selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle ledit empilage est constitué de huit coupelles (38) en V en élastomère du type HNBR de dureté shore A environ 80.
Vanne selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle l'empilage est mécaniquement maintenu comprimé par des moyens d'immobilisation de la chemise de compression.
Vanne selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de communication hydraulique sont constitués par des éléments tubulaires assemblés entre eux par des raccords, une extrémité d'un premier élément est connectée au corps de ladite vanne, une extrémité de l'élément supérieur est connectée à un élément de suspension.
Vanne selon la revendication 8, dans laquelle l'élément de suspension est maintenu dans un adapteur (12) fixé sur la tête du puits et comportant des moyens de communication hydraulique avec lesdits éléments tubulaires.
Vanne selon la revendication 9, dans laquelle ledit adapteur comporte des mâchoires (51a, 51b) à déplacement radial destinées à être serrées sur lesdits éléments tubulaires.