FR2702013A1 - Système de commande fluidique destiné à la manÓoeuvre d'un obturateur d'un corps de vanne, notamment de puits producteur d'hydrocarbures, et vanne de sécurité équipée d'un tel système de commande fluidique. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de commande fluidique destiné à la manœuvre de l'obturateur (8) d'un corps de vanne, notamment de puits producteur d'hydrocarbures, comportant un mécanisme à commande fluidique d'entraînement d'un coulisseau de manœuvre (56, 57) apte à amener ce coulisseau dans une position basse, où il maintient l'obturateur (8) ouvert. Ce mécanisme à commande fluidique comprend deux soufflets longitudinaux (10) activateurs, montés chacun autour d'une tige de guidage (12), lesdits soufflets, fermés au niveau de leur extrémité basse par un organe de connexion solidaire du coulisseau de manœuvre (56, 57), et solidarisés de façon étanche au corps de vanne au niveau de leur extrémité haute, étant alimentés par le biais de moyens de canalisation (7a) aptes à entraîner leur allongement.

Description

SYSTEME DE COMMANDE FLUIDIQUE
DESTINE A LA MANOEUVRE D'UN OBTURATEUR D'UN CORPS DE VANNE,
NOTAMMENT DE PUITS PRODUCTEUR D'HYDROCARBURES, ET VANNE
DE SECURITE EQUIPEE D'UN TEL SYSTEME DE COMMANDE FLUIDIQUE
L'invention concerne un système de commande fluidique destiné à la manoeuvre d'un obturateur d'un corps de vanne, notamment de puits producteur d'hydrocarbures.

Elle s'étend à une vanne de sécurité pour puits producteur d'hydrocarbures équipée d'un tel système de commande fluidique.

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 celle-ci. Elles sont commandées hydrauliquement à l'ouverture depuis la surface et se ferment automatiquement au moyen de ressorts 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.

Toutefois, les vannes existantes présentent des défauts résultant de la présence d'étanchéités dynamiques interposées dans le système de commande fluidique de manoeuvre de l'obturateur. En premier lieu, ces joints d'étanchéité sont en effet susceptibles de subir une usure prématurée par frottement et par agression du milieu ambiant qui nécessite leur changement. De plus, de tels joints génèrent des frictions tendant à s'opposer à la fermeture de la vanne et peuvent donc être la cause d'un blocage accidentel de cette vanne, rendant cette dernière non opérationnelle.

La présente invention vise à pallier les inconvénients précités des systèmes de commande fluidique connus et a pour principal objectif de fournir un système de commande fluidique, notamment pour vanne de sécurité, dépourvu de toute étanchéité dynamique.

Un autre objectif de l'invention est de fournir un système de commande fluidique ne nécessitant qu'une faible pression de commande pour entraîner l'ouverture de l'obturateur.

Un autre objectif de l'invention est de fournir un système de commande fluidique conçu pour supprimer les risques de coups de bélier.

Un autre objectif de l'invention est de fournir un système de commande fluidique de faible encombrement.

Afin de faciliter la compréhension, la vanne de sécurité conforme à l'invention sera décrite en la supposant en place dans un puits pétrolier, les termes "haut", "bas", "supérieur", "inférieur" se référant à cette position.

A cet effet, l'invention vise un système de commande fluidique destiné à la manoeuvre d'un obturateur d'un corps de vanne, notamment de puits producteur d'hydrocarbures, comprenant
- un coulis seau de manoeuvre apte à se déplacer axialement à l'intérieur du corps de la vanne de façon à engendrer la manoeuvre de l'obturateur lors de ces déplacements,
- un mécanisme à commande fluidique d'entraînement du coulisseau de manoeuvre apte à l'amener dans une position, dite basse, où il maintient l'obturateur ouvert.

Selon l'invention, ce système se caractérise en ce que le mécanisme à commande fluidique comprend au moins deux soufflets longitudinaux, dits activateurs, montés chacun autour d'une tige de guidage solidaire du corps de vanne, lesdits soufflets, fermés au niveau d'une de leurs extrémités par un organe de connexion solidaire du coulisseau de manoeuvre, et solidarisés de façon étanche au corps de vanne au niveau de leur autre extrémité, étant reliés à une source fluidique par le biais de moyens de canalisation agencés pour amener, à l'intérieur de ces soufflets, un fluide apte à entraîner un allongement de ces derniers guidés le long de leur tige de guidage, conduisant à un déplacement du coulisseau de manoeuvre vers sa position basse.

Le principe de l'invention est donc d'utiliser des soufflets dépourvus de toute étanchéité dynamique, formant des enceintes étanches déformables, agencés pour s'allonger lorsqu'ils sont soumis à une pression interne fluidique, et pour activer le coulisseau de manoeuvre lors de cet allongement.

Un tel système de commande ne génère aucune friction susceptible de s'opposer à la fermeture de l'obturateur, et ne comporte aucun élément susceptible de subir une usure prématurée.

Il est à noter qu'il était connu, selon le brevet US 4.467.870, d'utiliser des soufflets en vue d'actionner un obturateur. Toutefois, l'agencement des soufflets du mécanisme décrit dans ce brevet est tel qu'il est nécessaire d'interposer, dans ce mécanisme, une étanchéité dynamique tel qu'un clapet sur siège, qui confère à ce dernier les défauts sus-évoqués des systèmes classiques.

Il est à noter en outre que le mécanisme décrit dans ce brevet comporte un deuxième point de fragilisation constitué par la bague filetée (référence 113) solidarisée à l'extrémité du soufflet. En effet, tout défaut d'étanchéité de cette bague conduit à mettre en communication la conduite d'amenée du fluide de commande avec le puits, avec pour conséquence, d'une part, le blocage du mécanisme et, d'autre part, le risque d'une remontée d'hydrocarbure dans la conduite d'amenée du fluide de commande.

Le système de commande fluidique selon l'invention peut être classiquement doté de moyens de rappel élastique aptes à engendrer, en l'absence d'alimentation fluidique, un déplacement du coulisseau de manoeuvre de sa position basse vers une position, dite haute, autorisant la fermeture d'un obturateur sollicité vers cette position de fermeture.

Dans ce cas, ces moyens de rappel sont préférentiellement disposés entre le coulis seau de manoeuvre et le corps de vanne, et montés en parallèle par rapport aux soufflets.

Les moyens de rappel sont ainsi disposés au même niveau que les soufflets, ce qui permet de réaliser un système de faible encombrement.

Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque soufflet est préalablement précontraint en compression d'une valeur prédéterminée au plus égale à la valeur de déflexion mécaniquement admissible pour une onde de soufflet, dans la limite élastique du matériau utilisé pour la réalisation dudit soufflet.

Cette disposition permet de réduire sensiblement de moitié la longueur des soufflets pour une même course d'élongation. En effet, lorsque les soufflets sont étirés, chaque onde restitue, en premier lieu, la variation de longueur correspondant à la précontrainte de compression, jusqu'à parvenir à sa position de repos, avant de subir un allongement classique.

Par ailleurs, les soufflets sont préférentiellement réalisés en un alliage de métaux du type "INCONEL" et sont constitués avantageusement d'ondes en forme de Oméga. Cette forme de Oméga confère en effet aux soufflets une meilleure résistance, notamment à la fatigue en élongation et en pression.

De plus, chaque soufflet peut comporter une double paroi, en vue d'optimiser la tenue en pression et d'augmenter la possibilité de déflexion.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le système de commande comprend deux soufflets, dits de référence, montés chacun autour d'une tige de guidage solidaire du corps de vanne, lesdits soufflets étant disposés en parallèle et montés en opposition par rapport aux soufflets activateurs.

Comme on le comprendra mieux plus loin, ces soufflets de référence permettent d'engendrer le déplacement du coulisseau en alimentant les soufflets activateurs au moyen d'un fluide de commande délivré à une pression apte à vaincre la seule force des moyens de rappel élastique.

En outre, et de façon avantageuse, le système de commande comporte alors également des moyens de canalisation connectés aux soufflets de référence et agencés pour permettre d'alimenter lesdits soufflets au moyen d'un fluide apte à entraîner un allongement de ces derniers.

Cette possibilité d'alimenter les soufflets de référence a pour but de fournir une sécurité opérationnelle en vue de la fermeture de l'obturateur. En effet, en cas de problème rencontré lors de cette fermeture, les soufflets de référence peuvent être alimentés au moyen d'un fluide sous pression et constituer une assistance à la fermeture.

Par ailleurs, selon une autre caractéristique de l'invention
- le coulisseau de manoeuvre est scindé en deux éléments distincts disposés dans le prolongement l'un de l'autre, et séparés, dans la position de fermeture de l'obturateur, par un intervalle de distance prédéterminé
un premier élément auquel sont solidarisés les organes de connexion solidaires de l'extrémité des soufflets activateurs,
et un deuxième élément agencé de façon à se trouver sensiblement en retrait de l'obturateur, dans la position de fermeture de ce dernier,
- des moyens élastiques sont disposés entre les premier et deuxième éléments du coulisseau et agencés pour être comprimés lors d'un déplacement relatif desdits éléments tendant à rapprocher ces derniers.

Comme on le comprendra mieux plus loin, ces dispositions permettent notamment de préserver le coulisseau, l'obturateur et les soufflets de tout risque d'endommagement lors de la fermeture dudit obturateur.

L'invention s'étend à une vanne de sécurité destinée à être insérée dans un tube de production de puits producteur d'hydrocarbures en vue d'en assurer l'ouverture ou la fermeture, ladite vanne comprenant
- un corps de vanne de forme générale tubulaire,
- un obturateur, situé en partie basse dudit corps et sollicité vers sa position de fermeture,
- un coulis seau tubulaire agencé pour pouvoir coulisser longitudinalement à l'intérieur du corps de vanne en vue d'engendrer dans son mouvement descendant l'ouverture de l'obturateur,
- au moins 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 de l'obturateur,
- et un mécanisme à commande hydraulique apte à engendrer un déplacement du coulisseau vers le bas.

Selon l'invention, cette vanne se caractérise en ce que le mécanisme à commande hydraulique comprend
- au moins deux soufflets longitudinaux, dits activateurs, disposés dans le logement annulaire et montés chacun autour d'une tige de guidage solidaire du corps de vanne, lesdits soufflets comportant des extrémités haute et basse solidarisées par des organes de connexion étanche respectivement au corps de vanne et au coulisseau,
- une arrivée de fluide de commande à travers le corps de vanne agencée pour alimenter les soufflets au niveau de leur extrémité haute.

Cette vanne comporte en outre, préférentiellement, au moins deux soufflets longitudinaux, dits de référence, disposés dans le logement annulaire et montés chacun autour d'une tige de guidage solidaire du corps de vanne, lesdits soufflets de référence étant montés en opposition par rapport aux soufflets activateurs et comportant des extrémités haute et basse solidarisées par des organes de connexion étanche respectivement au coulisseau et au corps de vanne.

Ces soufflets de référence étant montés en opposition par rapport aux soufflets activateurs permettent d'annuler l'effet de la pression du puits.

En effet, cette pression qui agit sur la face externe des soufflets et tend à comprimer les soufflets activateurs, tend également à comprimer les soufflets de référence.

De ce fait, l'ouverture de la vanne peut être effectuée au moyen d'un fluide de commande délivré à une pression apte à vaincre la seule force des ressorts de rappel.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la vanne de sécurité comprend, une arrivée de fluide à travers le corps de vanne agencée pour alimenter les soufflets de référence au niveau de leur extrémité basse.

Cette arrivée de fluide est simplement destinée à permettre l'alimentation des soufflets de référence dans l'hypothèse d'une éventuelle difficulté rencontrée lors de la fermeture de la vanne. En effet, les soufflets de référence ainsi alimentés tendent à se déployer et, par conséquent, à déplacer le coulisseau vers sa position haute.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'organe de connexion entre chaque soufflet de référence et le corps de vanne est fixé à une pièce de liaison disposée dans le logement annulaire et solidarisée à au moins une colonnette s'étendant dans ledit logement annulaire de façon à relier ladite pièce au corps de vanne, dans la partie haute dudit corps de vanne.

De plus, au moins une colonnette de chaque pièce de liaison est avantageusement percée longitudinalement d'une conduite d'amenée de fluide de commande reliée à une arrivée de fluide ménagée en partie haute du corps de vanne, les pièces de liaison constituant des organes de liaison hydraulique entre lesdites conduites et les soufflets de référence.

Par ailleurs, selon un mode de réalisation préférentiel, l'organe de connexion entre chaque soufflet activateur et le coulisseau comporte une entretoise tubulaire dotée d'une extrémité solidarisée à l'extrémité basse dudit soufflet, la tige de guidage de ce soufflet et ladite entretoise présentant une longueur et un diamètre adaptés pour que ladite tige puisse pénétrer à l'intérieur de cette entretoise sur une distance au moins équivalente à la longueur d'élongation du soufflet.

De même, l'organe de connexion entre chaque soufflet de référence et le coulisseau comporte une entretoise tubulaire dotée d'une extrémité solidarisée à l'extrémité haute dudit soufflet, ladite entretoise présentant une longueur et un diamètre adaptés pour loger une longueur de la tige de guidage au moins équivalente à la course de rétraction du soufflet.

Ces dispositions permettent d'assurer un parfait maintien des soufflets activateur et de référence, et ce quel que soit l'état, déployé, comprimé, ou au repos, desdits soufflets, garantissant ainsi contre toute fragilisation de ces derniers.

Selon une autre caractéristique de l'invention
- le coulisseau est scindé en deux éléments distincts, consistant en un corps de coulisseau et en un nez de coulisseau, disposés dans le prolongement l'un de l'autre et séparés, dans la position de fermeture de l'obturateur, par un intervalle de distance prédéterminé
les organes de connexion entre les soufflets et le coulisseau étant solidarisés au corps de coulisseau,
le nez de coulisseau étant agencé pour venir sensiblement en retrait de l'obturateur par son extrémité basse, dans la position de fermeture dudit obturateur,
- des moyens élastiques constitués d'au moins un ressort, dit télescopique, logé dans le logement annulaire sont disposés entre le corps et le nez de coulisseau et agencés pour être comprimés lors d'un déplacement relatif de ces derniers tendant à les rapprocher.

Ces dispositions permettent de procéder à l'ouverture de l'obturateur selon le processus suivant dans un premier temps, le corps du coulisseau est amené à se déplacer de façon à parcourir la distance le séparant du nez de coulisseau.

On égalise ensuite les pressions de part et d'autre de l'obturateur en injectant dans le tube de production un fluide destiné à équilibrer la pression du puits.

Une fois cet équilibre de pression réalisé, chaque ressort télescopique, qui a été comprimé lors du déplacement du corps de coulis seau, se détend et entrouvre l'obturateur. Parallèlement, la pression du fluide de commande entraîne l'ouverture totale de cet obturateur.

Ce processus d'ouverture peut, par exemple, être réalisé en utilisant des pompes d'alimentation en fluide de commande aptes à délivrer ce fluide avec une pression suffisante pour déplacer le corps de coulisseau, mais insuffisante pour ouvrir l'obturateur à l'encontre de la pression du puits.

Lorsque le corps de coulis seau a parcouru la distance le séparant du nez de coulisseau, ces pompes sont amenées à débiter à une pression supérieure à leur pression de tarage et s'arrêtent donc automatiquement, pour ne redémarrer qu'une fois l'équilibre de pression de part et d'autre de l'obturateur réalisé.

Un tel processus d'ouverture présente deux avantages.

En premier lieu, il permet d'ouvrir l'obturateur au moyen d'un faible écart de pression, après avoir égalisé les pressions de part et d'autre dudit obturateur. De ce fait, tout risque de coup de bélier se trouve éliminé.

De plus, le redémarrage des pompes lors de l'ouverture de l'obturateur fournit un signal sonore qui atteste d'un bon déroulement de cette phase d'ouverture.

Par ailleurs, l'agencement en deux éléments distincts du coulisseau fournit un avantage primordial lors de la fermeture de l'obturateur.

En effet, lors de cette fermeture, cet agencement permet à l'obturateur de se fermer par compression des ressorts télescopiques, indépendamment de la vitesse à laquelle remonte le corps de coulisseau.

Malgré la relative lenteur de remontée du corps de coulis seau, lenteur due aux importantes pertes de charges dans la conduite d'amenée de fluide de commande, ce corps de coulisseau ne s'oppose donc pas à la fermeture de l'obturateur.

Par conséquent, cet agencement supprime tout risque d'endommagement du coulisseau, de l'obturateur et des soufflets lors de la fermeture de la vanne.

D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit en référence aux dessins annexés qui en représentent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préférentiel. Sur ces dessins qui font partie intégrante de la présente description
- la figure 1 est une vue en coupe axiale par un plan longitudinal A d'une vanne conforme à l'invention, ladite vanne étant coupée en deux parties représentées l'une à côté de l'autre,
- les figures 2a et 2b sont deux demicoupes axiales par un plan longitudinal A et à échelle agrandie, représentant deux tronçons partiels de ladite vanne,
- la figure 2c est une demi-coupe de détail de cette vanne,
- les figures 3a et 3b sont deux demicoupes axiales, par un plan longitudinal B et à échelle agrandie, représentant deux tronçons partiels de cette vanne,
- les figures 4a et 4b sont deux demicoupes axiales, par un plan longitudinal C et à échelle agrandie, représentant deux tronçons partiels de cette vanne,
- les figures 5a et 5b sont deux demicoupes axiales, par un plan longitudinal D et à échelle agrandie, représentant deux tronçons partiels de cette vanne,
- la figure 6 est une vue de côté selon la flèche E, représentant à une échelle agrandie et avec des arrachés partiels une portion de tronçon longitudinal de cette vanne,
- la figure 7 en est une coupe transversale à échelle agrandie, par un plan G,
- la figure 8 en est une coupe transversale à échelle agrandie, par un plan H,
- la figure 9 est une vue longitudinale schématique d'une variante d'élément de soufflet conforme à l'invention, comportant une double paroi,
- et la figure 10 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement des soufflets activateurs et de référence.

La vanne de sécurité représentée à titre d'exemple aux figures 1 à 8 est destinée à être intégrée le long d'un tube de production d'un puits pétrolier.

Cette vanne comporte un corps de vanne de forme générale tubulaire, constitué de plusieurs pièces tubulaires solidarisées par vissage les unes aux autres raccord supérieur 1, raccord hydraulique 2, chemise de ressorts 3, corps d'obturateur 4, raccord inférieur 5.

L'étanchéité statique entre ces diverses pièces est une étanchéité double contact métal/métal du type décrit dans la demande de brevet au nom du déposant, déposée conjointement à la présente demande.

A l'intérieur de la chemise de ressorts 3 et du corps d'obturateur 4 est logé un coulisseau, décrit en détail plus loin, apte à se déplacer longitudinalement entre une position basse d'ouverture de la vanne de sécurité et une position haute où il vient en butée par son extrémité haute contre un épaulement interne annulaire 2a du raccord hydraulique 2.

Ce coulisseau présente en outre, de façon classique, un diamètre adapté pour délimiter un logement annulaire 6 avec le corps de vanne.

En premier lieu, le raccord hydraulique 2 est pourvu de deux lignes 7a et 7b d'arrivée de fluide de commande, chacune de ces lignes alimentant deux conduits radialement opposés respectivement 7a1, 7a2 et 7b1 reliés par une conduite (non représentée) percée dans la paroi périphérique du raccord hydraulique 2. Ces conduits 7a1, 7a2, 7b1 s'étendent en outre longitudinalement à l'intérieur de la paroi périphérique du raccord hydraulique 2 de façon à déboucher au niveau de la face d'extrémité inférieure 2b de cette paroi et à communiquer avec le volume interne de la chemise de ressorts 3.

Le corps d'obturateur 4 comporte quant à lui, en partie basse, un organe mobile d'obturation, constitué en l'exemple par un clapet 8 qui est articulé sur ledit corps de façon à pouvoir pivoter entre une position d'ouverture escamotée sur le côté, et une position de fermeture où ledit clapet obture le corps de vanne. Le clapet 8 est rappelé vers la position de fermeture par un ressort 9 disposé autour de son axe d'articulation. Il est à noter que cet organe d'obturation, connu en lui-même, peut être d'un autre type et en particulier un organe à bille dans lequel l'obturation est assurée par une partie sphérique apte à se déplacer longitudinalement avec une rotation associée, entre une position d'ouverture et une position de fermeture (un ressort rappelant la bille vers cette dernière position).

Ce corps d'obturateur 4 forme en outre un conduit de diamètre interne inférieur à celui de la chemise de ressorts 3, adapté pour servir de guidage externe au coulisseau Ce conduit se compose, de plus, de deux tronçons longitudinaux supérieurs 4a et inférieurs 4b de diamètres différents, séparés par un épaulement, le diamètre du tronçon supérieur 4a étant plus grand que celui du tronçon inférieur 4b.

Les moyens de déplacement du coulis seau comprennent, en premier lieu, deux soufflets activateurs 10, 11 disposés de façon diamétralement opposée dans le logement annulaire 6, et montés chacun autour d'une tige de guidage telle que 12. Ces soufflets 10, 11 sont destinés à engendrer un déplacement vers le bas du coulisseau sous l'effet de la commande hydraulique.

Ces soufflets activateurs 10, 11 sont constitués d'une pluralité d'éléments 1Oa, 1Ob....

assemblés bout à bout et solidarisés par soudure. Ces éléments réalisés en "INCONEL" ou en alliage exotique présentent des ondes en forme de Oméga, et comportent, vers chacune de leurs extrémités, une manchette annulaire 10a1, 10a2, 10b1,... bordée d'une collerette d'about 10a3, 10b3.

En variante et tel que représenté à la figure 9 (pour laquelle les mêmes références ont été utilisées), ces soufflets peuvent également comporter une double paroi.

Tel que représenté à la figure 2c, et préalablement à la solidarisation de deux éléments 10a, 1Ob voisins par soudure de leurs collerettes 10a3, 1ou3, les manchettes 10a2, 10b1 de ces éléments sont positionnées de façon à loger une bague 13 de diamètre externe conjugué du diamètre interne desdites manchettes, montée autour de la tige de guidage 12.

Ces bagues 13 montées de façon non étanche entre le soufflet 10, il et la tige de guidage 12, ont pour fonction, d'une part, de permettre un positionnement correct des collerettes 10a3, 10b3, en vue de leur soudure et, d'autre part, d'assurer le guidage des éléments 10a, 1Ob le long de la tige de guidage 12.

Vers leur extrémité haute, les soufflets activateurs 10, 11 et leur tige de guidage 12 sont solidarisés à un embout de connexion 14 vissé dans la face d'extrémité inférieure 2b du raccord hydraulique 2, en correspondance avec un conduit d'amenée de fluide 7a1, de façon à permettre d'alimenter le volume interne du soufflet 10, 11 en fluide de commande.

Tel que représenté à la figure 2c, une olive métallique 15 d'étanchéité est disposée dans le fond d'un orifice taraudé du raccord hydraulique 2, dans lequel est vissé l'embout de connexion 14. De plus, le blocage de cet embout de connexion est assuré au moyen d'un écrou d'arrêt 16.

Chaque embout de connexion 14 est percé longitudinalement d'un alésage 17 d'amenée de fluide comportant, vers l'extrémité inférieure dudit embout, un tronçon taraudé 17a.

Chaque tige de guidage 12 comporte, quant à elle, un tronçon d'extrémité supérieur 12a fileté, adapté pour venir se visser dans le tronçon taraudé 17a de l'embout de connexion 14. Ces tiges 12 sont en outre percées d'un alésage borgne 18 débouchant au droit de leur face d'extrémité supérieure et d'un conduit radial 19 de communication entre ledit alésage et le volume interne du soufflet activateur 10, 11 disposé autour de ladite tige.

Chaque soufflet activateur 10, 11 est, quant à lui, solidarisé à un embout de connexion 14 par soudure de la manchette 10a1 de l'élément supérieur 10a de ce soufflet autour dudit embout.

Vers leur extrémité basse, les soufflets activateurs 10, 11 sont solidarisés sur la face d'extrémité d'entretoises tubulaires 20 dotées d'un alésage longitudinal 20a de diamètre adapté pour loger les tiges de guidage 12 desdits soufflets. Ces entretoises 20 sont elles-mêmes fixées à une patte externe 21 solidaire du coulisseau et sont prolongées, à cet effet, d'un axe 22 s'étendant au travers d'un orifice ménagé dans ladite patte externe, et immobilisées par rapport à cette dernière au moyen d'écrous d'arrêt 23.

L'alésage 20a de chaque entretoise 20 présente en outre une longueur adaptée pour qu'au moins un tronçon d'extrémité de la tige de guidage 12 reste logé dans cet alésage, dans l'état déployé des soufflets activateurs 10, 11 correspondant à la position ouverte de la vanne.

En dernier lieu, chaque soufflet activateur 10, 11 est logé à l'intérieur d'un tube cylindrique tel que 24 solidarisé vers son extrémité haute autour de l'embout de connexion 14, et logeant, vers son extrémité basse, une longueur d'entretoise 20 adaptée pour qu'au moins un tronçon d'extrémité de ladite entretoise reste logé dans ce tube 24 dans l'état déployé des soufflets.

La fonction du tube cylindrique 24 logeant chaque soufflet activateur 10, 11 est, d'une part, d'assurer le maintien au flambage dudit soufflet et, d'autre part, de garantir une bonne répartition de déflexion des différentes ondes.

Les moyens de déplacement du coulisseau comprennent, en outre, des ressorts de rappel 25-34 montés chacun autour d'une tige de guidage telle que 35. Ces ressorts sont en l'exemple au nombre de dix divisés en deux séries de cinq ressorts 25-29, 30-34 disposés de part et d'autre de chaque soufflet activateur 10, 11 (trois ressorts sur un côté de chaque soufflet et deux ressorts sur le côté opposé). Ces ressorts de rappel 25-34 sont destinés à ramener le coulisseau vers sa position haute correspondant à la fermeture de la vanne.

Ils s'étendent entre, d'une part, un collet 36 disposé autour du coulisseau vers l'extrémité haute de ce dernier, et doté de deux échancrures telles que 36a de passage des soufflets activateurs 10, 11 et, d'autre part, la face d'extrémité d'une entretoise tubulaire 37 apte à loger la tige de guidage 35, ladite entretoise prenant appui, par son autre face d'extrémité, sur une bague d'appui 38 interposée entre cette dernière et la paroi supérieure du corps d'obturateur 4.

Les tiges 35 de guidage de ces ressorts de rappel 25-34 s'étendent, vers leur extrémité supérieure, au travers d'orifices ménagés dans le collet 36 et sont solidarisées par vissage au raccord hydraulique 2.

Ces tiges de guidage 35 et les entretoises tubulaires 37 associées présentent en outre des longueurs adaptées pour qu'un tronçon de tige 35 reste logé dans l'entretoise 37 dans l'état déployé des ressorts de rappel 25-34.

La vanne de sécurité comporte, par ailleurs, deux soufflets de référence 39, 40 disposés de façon diamétralement opposée dans le logement annulaire 6, et montés en opposition par rapport aux soufflets activateurs 10, 11.

Ces soufflets de référence 39, 40 sont d'une conception strictement identique à celle des soufflets activateurs 10, 11 et sont par conséquent constitués d'une pluralité d'éléments soudés les uns aux autres, montés autour d'une tige de guidage 41 et logés dans un tube cylindrique 42.

De plus, chacun de ces soufflets de référence 39, 40 et la tige de guidage 41 associée sont fixés, vers leur extrémité basse, à un embout de connexion tel que 43, identique à l'embout de connexion 14. Chacun de ces embouts de connexion 43 est vissé dans un alésage taraudé ménagé dans la face d'extrémité supérieure d'une pièce de liaison 44, 45 présentant la forme d'un secteur annulaire de sensiblement 60 degrés, lesdites pièces de liaison étant disposées à l'intérieur du logement annulaire 6 dans les espaces situés entre les deux séries de ressorts de rappel 25-34.

Afin de solidariser l'extrémité basse des soufflets de référence 39, 40 au corps de vanne, chaque pièce de liaison 44, 45 est reliée au raccord hydraulique 2 au moyen de deux colonnettes 46-47, 48-49 s'étendant dans le logement annulaire 6 de part et d'autre de chacun desdits soufflets de référence.

Ces colonnettes 46-49 qui traversent le collet 36 par le biais d'orifices ménagés dans ce dernier, sont solidarisées, au niveau de chacune de leurs extrémités, à des embouts tels que 50, 51 vissés dans des alésages taraudés ménagés respectivement dans la face d'extrémité inférieure du raccord hydraulique 2 et dans la face d'extrémité supérieure des pièces de liaison 44, 45.

En outre, une des colonnettes 46, 48 associée à chaque pièce de liaison 44, 45 est percée d'un alésage longitudinal 46a, 48a, et se trouve solidarisée au raccord hydraulique 2 en correspondance avec une ligne d'arrivée de fluide 7b1.

Parallèlement, chaque pièce de liaison 44, 45 est percée d'un conduit tel que 52 de communication entre l'alésage 46a, 48a de la colonnette 46, 48 et l'alésage d'amenée de fluide de l'embout de connexion 43 du soufflet de référence 39, 40.

Les soufflets de référence 39, 40 sont par ailleurs fixés au niveau de leur extrémité haute, sur la face d'extrémité d'entretoises tubulaires telle que 53 apte à loger l'extrémité des tiges de guidage 41. Ces entretoises 53 sont, elles-mêmes, fixées au collet 36 et sont prolongées à cet effet d'un axe 54 s'étendant au travers d'orifices ménagés dans ledit collet, et immobilisées par rapport à ce dernier au moyen d'écrous d'arrêt 55.

Ces entretoises 53, les tiges de guidage 41 et les tubes cylindriques 42 présentent, en outre, des longueurs adaptées pour qu'un tronçon d'extrémité des tiges de guidage 41 et des entretoises 53 soit logé respectivement à l'intérieur de l'entretoise 53 et du tube cylindrique 42 correspondant, dans la position haute du coulisseau.

De plus, les tiges de guidage 41 et les tubes cylindriques 42 sont interrompus à une distance du collet 36 légèrement supérieure à la course du coulisseau.

Tel que représenté schématiquement à la figure 10, l'extrémité inférieure des soufflets de référence 39, 40 est solidarisée au corps de vanne par l'intermédiaire des colonnettes 46-49 et des pièces de liaison 44, 45, tandis que l'extrémité supérieure de ces soufflets de référence 39, 40 est solidarisée au coulisseau.

De ce fait, la pression du puits s'exerçant sur la surface externe des ondes de ces soufflets de référence 39, 40 tend à comprimer ces soufflets et à entraîner un déplacement du coulisseau vers sa position basse.

L'effet de la pression du puits qui s'oppose au déploiement des soufflets activateurs 10, Il se trouve donc annulé, et l'ouverture de la vanne peut etre effectuée au moyen d'un fluide de commande apte à vaincre la seule force des ressorts de rappel 25-34.

De plus, en cas d'éventuelles difficultés rencontrées lors de la fermeture de la vanne, le fait d'alimenter les soufflets de référence 39, 40 par le biais de l'arrivée de fluide 7b, tend à déployer ces soufflets et par conséquent tend à déplacer le coulisseau vers sa position haute.

Le coulisseau de la vanne de sécurité selon l'invention est quant à lui scindé en deux éléments distincts disposés dans le prolongement l'un de l'autre et séparés, dans la position fermée de la vanne, par un intervalle de distance X prédéterminé.

Le premier de ces éléments, ou corps de coulisseau 56, présente la forme générale d'un tube cylindrique sur lequel sont ménagés le collet 36 et les deux pattes 21. Il comporte en outre, extérieurement, un rebord annulaire 56a au niveau de son extrémité inférieure.

Ce corps de coulis seau 56 constitue l'élément du coulisseau se trouvant sollicité par les soufflets activateurs 10, 11, les soufflets de référence 39, 40 et les ressorts de rappel 25-34.

Le deuxième élément, ou nez de coulisseau 57, est destiné à venir au contact du clapet 8 et à assurer le pivotement de ce dernier autour de son axe d'articulation.

Ce nez de coulisseau 57 comporte, en premier lieu, un manchon cylindrique 58 de diamètre externe conjugué du diamètre interne du tronçon inférieur 4b du corps d'obturateur 4.

Ce manchon cylindrique 58 présente une longueur adaptée pour que, dans la position de fermeture de la vanne, son extrémité inférieure soit sensiblement en retrait du clapet 8, et son extrémité supérieure située à une distance X de l'extrémité inférieure du corps de coulisseau 56.

Autour de ce manchon cylindrique 58, et sur un tronçon intermédiaire de ce dernier fileté extérieurement, est vissé un écrou 59 de diamètre externe conjugué du diamètre interne du tronçon supérieur 4a du corps d'obturateur 4.

A faible distance de son extrémité supérieure, le manchon cylindrique 58 comporte un deuxième écrou 60 également vissé sur une portion filetée dudit manchon, agencé pour délimiter une gorge annulaire avec un rebord annulaire 61 dont est dotée l'extrémité de ce manchon.

Le nez de coulisseau 57 comporte en outre deux coquilles 62, 63 solidaires en translation du manchon cylindrique 58, agencées pour s'étendre dans le prolongement supérieur de ce dernier. Ces deux coquilles 62, 63 sont disposées dans le logement annulaire 6 et présentent la forme d'un cintre adapté pour remplir la portion de volume dudit logement annulaire séparant les deux pièces de liaison 44, 45.

Ces coquilles 62, 63 sont en outre dotées longitudinalement chacune d'une échancrure interne 64 de forme conjuguée de la patte externe 21 du corps de coulisseau 56, et de cinq échancrures telles que 65 logeant les ressorts de rappel 25-34.

A proximité de leur extrémité inférieure, ces coquilles 62, 63 comportent un chambrage 66 de largeur équivalente à la distance X additionnée de la largeur des rebords annulaires 56a et 61 du corps de coulisseau 56 et du manchon cylindrique 58.

Ces chambrages 66 sont séparés de l'extrémité inférieure des coquilles 62, 63 par un rebord 66a de forme adaptée pour se loger dans la gorge annulaire des manchons cylindriques 58, assurant la solidarisation et le blocage en translation desdits manchon et coquilles.

De plus, ces chambrages 66 sont adaptés pour loger les rebords annulaires 56a, 61 du corps de coulisseau 56 et du manchon cylindrique 58 lorsque les coquilles 62, 63 coiffent lesdits corps et manchon, limitant ainsi la distance séparant ces rebords 56a, 61 à la valeur X.

Enfin, ces coquilles 62, 63 présentent une longueur adaptée pour s'étendre le long du corps de coulisseau 56, de façon que leur extrémité supérieure se trouve à proximité immédiate de l'extrémité inférieure des tubes cylindriques 24 logeant les soufflets activateurs 10, 11.

Entre ces coquilles 62, 63 et les tubes de guidage 24 se trouve simplement interposée une cale annulaire 67 disposée dans le logement annulaire 6 et percée d'orifices traversés par les entretoises tubulaires 37 des ressorts de rappel 25-34, les tubes cylindriques 42 logeant les soufflets de référence 39, 40, et les colonnettes 46-49.

En dernier lieu, la vanne de sécurité comporte quatre ressorts dits télescopiques, tels que 68, 69, montés chacun autour d'une colonnette 46-49. Ces ressorts télescopiques 68, 69 s'étendent entre le collet 36 du corps de coulisseau 56 et la face d'extrémité d'une entretoise tubulaire telle que 70 disposée autour des colonnettes 46-49, dont l'autre face d'extrémité prend appui contre la cale annulaire 67.

Le fonctionnement de la vanne de sécurité ci-dessus décrite est le suivant.

Lorsque les soufflets activateurs 10, 11 sont alimentés en fluide de commande, ils génèrent un déplacement vers le bas du corps de coulisseau 56 dont l'extrémité inférieure coulisse à l'intérieur des coquilles 62, 63 bloquées en translation, ainsi que l'ensemble du nez de coulisseau 57, par le clapet 8 soumis à la pression du puits.

Lors de ce déplacement du corps de coulisseau 56, les ressorts télescopiques 68, 69 sont comprimés entre le collet 36 et la cale annulaire 67 disposée en butée contre les faces d'extrémité supérieure des coquilles 62, 63.

Le corps de coulisseau 56 est ainsi déplacé d'une distance X au terme de laquelle il vient en butée par son rebord annulaire 56a contre le rebord annulaire 61 du manchon cylindrique 58 du nez de coulisseau 57.

Une fois ce contact réalisé, engendrant un déclenchement des pompes d'alimentation en fluide de commande, on égalise les pressions de part et d'autre du clapet 8.

Cet équilibre de pression réalisé, les ressorts télescopiques 68, 69 se détendent, générant le déplacement vers le bas de la cale annulaire 67 et des coquilles 62, 63 contre lesquelles est en appui cette cale.

Le nez de coulisseau 57 se déplace donc d'une distance X par rapport au corps de coulisseau 56 et entrouvre le clapet 8 lors de ce déplacement.

Parallèlement, les soufflets activateurs 10, 11 alimentés en fluide de commande provoquent l'ouverture totale du clapet 8.

Lors de la fermeture du clapet 8, découlant d'une chute de pression du fluide de commande, commandée ou accidentelle, ce clapet 8 soumis au débit du puits provoque un déplacement du nez de coulisseau 57 par rapport au corps de coulisseau 56, par compression des ressorts télescopiques 68, 69.

Le nez de coulisseau 57 peut donc se déplacer rapidement d'une distance X et ne s'oppose donc pas à la fermeture du clapet 8.

La distance initiale X séparant les corps de coulisseau 56 et nez de coulisseau 57 est, en dernier lieu, à nouveau obtenue, en fin de remontée du corps de coulisseau 56.

Claims (19)

REVENDICATIONS

1/ - Système de commande fluidique destiné à la manoeuvre d'un obturateur (8) d'un corps de vanne, notamment de puits producteur d'hydrocarbures, comprenant

- un coulisseau de manoeuvre (56, 57) apte à se déplacer axialement à l'intérieur du corps de la vanne de façon à engendrer la manoeuvre de l'obturateur (8) lors de ces déplacements,

- un mécanisme à commande fluidique d'entraînement du coulisseau de manoeuvre (56, 57) apte à l'amener dans une position, dite basse, où il maintient l'obturateur (8) ouvert, ledit système étant caractérisé en ce que le mécanisme à commande fluidique comprend au moins deux soufflets longitudinaux (10, 11), dits activateurs, montés chacun autour d'une tige de guidage (12) solidaire du corps de vanne, lesdits soufflets, fermés au niveau d'une de leurs extrémités par un organe de connexion (20) solidaire du coulisseau de manoeuvre (56, 57), et solidarisés de façon étanche au corps de vanne au niveau de leur autre extrémité, étant reliés à une source fluidique par le biais de moyens de canalisation (7a) agencés pour amener, à l'intérieur de ces soufflets (10, 11), un fluide apte à entraîneur un allongement de ces derniers guidés le long de leur tige de guidage (12), conduisant à un déplacement du coulisseau de manoeuvre (56, 57) vers sa position basse.

2/ - Système de commande fluidique selon la revendication 1, comprenant des moyens de rappel élastique (25-34) aptes à engendrer, en l'absence d'alimentation fluidique, un déplacement du coulisseau de manoeuvre (56, 57) de sa position basse vers une position, dite haute, autorisant la fermeture d'un obturateur (8) sollicité vers cette position de fermeture, ledit système étant caractérisé en ce que lesdits moyens de rappel sont disposés entre le coulisseau de manoeuvre (56, 57) et le corps de vanne et montés en parallèle par rapport aux soufflets activateurs (10, 11).

3/ - Système de manoeuvre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque soufflet (10, 11) est préalablement précontraint en compression d'une valeur prédéterminée au plus égale à la valeur de déflexion mécaniquement admissible pour une onde de soufflet, dans la limite élastique du matériau utilisé pour la réalisation dudit soufflet.

4/ - Système de commande fluidique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque soufflet (10, 11) est réalisé en un alliage de métaux du type "Inconel" ou exotique.

5/ - Système de commande fluidique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque soufflet (10, 11) comporte des ondes en forme de

Oméga.

6/ - Système de commande fluidique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque soufflet (10, 11) comporte une double paroi.

7/ - Système de commande fluidique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux soufflets (39, 40), dits de référence, montés chacun autour d'une tige de guidage (41) solidaire du corps de vanne, lesdits soufflets étant disposés en parallèle et montés en opposition par rapport aux soufflets activateurs (10, 11).

8/ - Système de commande fluidique selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de canalisation (7b) connectés aux soufflets de référence (39, 40) et agencés pour permettre d'alimenter lesdits soufflets au moyen d'un fluide apte à entraîner un allongement de ces derniers.

9/ - Système de commande fluidique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque soufflet (10, 11, 39, 40) est logé à l'intérieur d'un tube cylindrique (24, 42).

10/ - Système de commande fluidique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que

- le coulisseau de manoeuvre est scindé en deux éléments distincts disposés dans le prolongement l'un de l'autre, et séparés, dans la position de fermeture de l'obturateur, par un intervalle de distance prédéterminé

un premier élément (56) auquel sont solidarisés les organes de connexion (20) solidaires de l'extrémité des soufflets activateurs (10, 11),

et un deuxième élément (57) agencé de façon à se trouver sensiblement en retrait de l'obturateur (8), dans la position de fermeture de ce dernier,

- des moyens élastiques (68, 69) sont disposés entre les premier (56) et deuxième (57) éléments du coulisseau et agencés pour etre comprimés lors d'un déplacement relatif desdits éléments tendant à rapprocher ces derniers.

11/ - Vanne de sécurité destinée à etre insérée dans un tube de production de puits producteur d'hydrocarbures en vue d'en assurer l'ouverture ou la fermeture, ladite vanne comprenant

- un corps de vanne de forme générale tubulaire,

- un obturateur (8), situé en partie basse dudit corps et sollicité vers sa position de fermeture,

- un coulisseau tubulaire (56, 57) agencé pour pouvoir coulisser longitudinalement à l'intérieur du corps de vanne en vue d'engendrer dans son mouvement descendant l'ouverture de l'obturateur (8),

- au moins un ressort de rappel (25-34) disposé dans un logement annulaire (6) situé entre le coulisseau (56, 57) et le corps de vanne, de façon à solliciter ledit coulisseau vers une position haute correspondant à la fermeture de l'obturateur (8),

- et un mécanisme à commande hydraulique apte à engendrer un déplacement du coulisseau vers le bas, ladite vanne de sécurité étant caractérisée en ce que le mécanisme à commande hydraulique comprend

- au moins deux soufflets longitudinaux (10, 11), dits activateurs, disposés dans le logement annulaire (6) et montés chacun autour d'une tige de guidage (12) solidaire du corps de vanne, lesdits soufflets comportant des extrémités haute et basse solidarisées par des organes (14, 20) de connexion étanche respectivement au corps de vanne et au coulisseau (56, 57),

- une arrivée (7a) de fluide de commande à travers le corps de vanne agencée pour alimenter les soufflets (10, 11) au niveau de leur extrémité haute.

12/ - Vanne de sécurité selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'organe de connexion entre chaque soufflet activateur (10, 11) et le coulisseau (56, 57) comporte une entretoise tubulaire (20) dotée d'une extrémité solidarisée à l'extrémité basse dudit soufflet, la tige de guidage (12) de ce soufflet (10, 11) et ladite entretoise présentant une longueur et un diamètre adaptés pour que ladite tige puisse pénétrer à l'intérieur de cette entretoise (20) sur une distance au moins équivalente à la longueur d'élongation du soufflet (10, 11).

13/ - Vanne de sécurité selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux soufflets longitudinaux (39, 40), dits de référence, disposés dans le logement annulaire (6) et montés chacun autour d'une tige de guidage (41) solidaire du corps de vanne, lesdits soufflets de référence étant montés en opposition par rapport aux soufflets activateurs (10, 11) et comportant des extrémités haute et basse solidarisées par des organes (53, 43) de connexion étanche respectivement au coulisseau (56, 57) et au corps de vanne.

14/ - Vanne de sécurité selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'organe de connexion entre chaque soufflet de référence (39, 40) et le coulisseau (56, 57) comporte une entretoise tubulaire (53) dotée d'une extrémité solidarisée à l'extrémité haute dudit soufflet, ladite entretoise présentant une longueur et un diamètre adaptés pour loger une longueur de la tige de guidage (41) au moins équivalente à la course de rétraction du soufflet (39, 40).

15/ - Vanne de sécurité selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisée en ce que l'organe de connexion (43) entre chaque soufflet de référence (39, 40) et le corps de vanne est fixé à une pièce de liaison (44, 45) disposée dans le logement annulaire (6) et solidarisée à au moins une colonnette (46-49) s'étendant dans ledit logement annulaire de façon à relier ladite pièce au corps de vanne, dans la partie haute dudit corps de vanne.

16/ - Vanne de sécurité selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisée en ce qu'elle comprend, une arrivée de fluide (7b) à travers le corps de vanne agencée pour alimenter les soufflets de référence (39, 40) au niveau de leur extrémité basse.

17/ - Vanne de sécurité selon les revendications 15 et 16 prises ensemble, caractérisée en ce qu'au moins une colonnette (46, 48) de chaque pièce de liaison (44, 45) est percée longitudinalement d'une conduite (46a, 48a) d'amenée de fluide de commande reliée à une arrivée de fluide (7b) ménagée en partie haute du corps de vanne, les pièces de liaison (44, 45) constituant des organes de liaison hydraulique entre lesdites conduites et les soufflets de référence (39, 40).

18/ - Vanne de sécurité selon l'une des revendications 11 à 17, caractérisée en ce que chaque soufflet (10, 11, 39, 40) est logé à l'intérieur d'un tube cylindrique (24, 42) solidarisé vers une de ses extrémités à l'organe de connexion (14, 43) entre ledit soufflet et le corps de vanne.

19/ - Vanne de sécurité selon l'une de revendications 11 à 18, caractérisé en ce que

- le coulisseau est scindé en deux éléments distincts, consistant en un corps de coulisseau (56) et en un nez de coulisseau (57), disposés dans le prolongement l'un de l'autre et séparés, dans la position de fermeture de l'obturateur, par un intervalle de distance prédéterminé

les organes de connexion (20, 53) entre les soufflets (10, 11, 39, 40) et le coulisseau étant solidarisés au corps de coulisseau (56),

le nez de coulisseau (57) étant agencé pour venir sensiblement en retrait de l'obturateur (8) par son extrémité basse, dans la position de fermeture dudit obturateur,

- des moyens élastiques (68, 69) constitués d'au moins un ressort, dit télescopique, logé dans le logement annulaire (6) sont disposés entre le corps (56) et le nez (57) de coulisseau et agencés pour etre comprimés lors d'un déplacement relatif de ces derniers tendant à les rapprocher.