Brevet FR2119858A1 — publié le 19720811

Dans l'exploitation des puits de pétrole par élévation artificielle, une tige de pompage est attachée à la pompe afin de transmettre le mouvement alternatif du chevalet de pompage à la pompe imuergée dans le fond du trou. La tige de pompage est attachée au chevalet de pompage par une tige polie et une boite à bourrage assure l'étanchéité entre la tige polie à mouvement alternatif et l'extrémité libre fixe du tubage de production. Le pétrole brut extrait lubrifie suffisamment le joint entre le bourrage du presse-étoupe et la tige polie. La pompe décharge cycliquement le réservoir en provoquant un dégagement de gaz qui s'écoule au delà du joint constitué par le presse-étoupe.Ce passage du gaz provoque une usure excessive entre la tige polie et le presse-étoupe, en raison de l'absence du graissage et du refroidissement assurés normalement par le pétrole brut extrait. En conséquence, il est avantageux d'arrêter le fonctionnement de la pompe quand le gaz se dégage du nuits. Cette cessation du fonctionnement est dite "contrôle d'assèchement". Cet expédient minimise l'usure des différentes pièces du système de pompage et permet de réaliser une économie d'énergie. Divers dispositifs mécaniques et électro-mécaniques ont été proposés antérieurement pour éviter la continuation du fonctionnement d'un chevalet de pompage après détection d'un dégagement substantiel de fluide gazeux. L'un de ces dispositifs antérieurs s'est révélé très satisfaisant et fait l'objet du brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3.105.433 accordé à Johnson. Une forme de dispositif antérieur qui assure un contrôle d'assèchement concerne la mesure de la tension de la tige de pompage pour évaluer la pression statique du fluide à l'intérieur du tubage de production. Les dispositifs anciens concernant l'indication d'un écoulement ou d'une absence d'écoulement d'un liquide d'un puits de pétrole exigent une quantité substantielle de circuits et d'appareils compliqués. La présente invention fournit un dispositif de contrôle d'assèchement pour distinguer efficacement un courant gazeux d'un courant liquide, au moyen d'un appareil indicateur de débit comprenant un carter principal dans lequel est positionné fonc tionnellement un élenent mobile répondant au ibit, qui, avec le carter, forme une chambre supérieure et une chambre inférieure. Un conduit d'égalisation raccordé entre les deux chambres forme un tube ascendant. Un passage constitué par un orifice pour le gaz est ménagé dans l'élément répondant au débit pour égaliser la pression entre les deux chambres en cas d'écoulement de gaz. Un dispositif i.r;terrupteur, prévu pour être manoeuvré en répor- se au dénlacement de l'élément mobile, constitue un contrôle pour interrompre l'arrivée du courant au moteur qui actionne une pompe immergée au fond du trou L'écoulement du Fluide produit par l'entrée et vers la chambre inférieure fait apparaître dans ]e conduit d'égalisation une pression hydrostatique qui agit conte une force dirigée vers le haut sur l'élément mobile pour ainsi soulever celui-ci et l'écarter de l'orifice. Cette action maintient l'interrupteur en position fermée, permettant le passage du courant.Quand le réservoir produit une quantité substantielle de gaz au lieu de liquide, ou d'un mélange de liquide et de gaz, 1 courant gazeux dans le carter provoque l'abaissement du niveau du liquide dans le conduit d'Ogalisation et 11é- coulement du gaz dans la chambre supérieure, à travers l'élément de contrôle du débit, en égalisant ainsi la pression entre les deux chambres. Cette action repousse l'élément mobile contre l'orifice, en amenant l'interrupteur dans sa position ouverte, afin d'interrompre le passage du courant vers le moteur de la pompe immergée et en rendant ainsi tout nouveau pompage impossible jusqu' ce que la pompe soit à nouveau mise sous tension. Un but principal de la présente invention est donc de fournir un dispositif indicateur de débit, qui émet un signal quand un liquide ou un mélange de liquide et de gaz passe dans un conduit. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif indicateur de débit perfectionné, qui actionne un organe de contrôle du courant quand un liquide passe dans un conduit et qui n'influence plus ce dispositif quand du gaz passe dans ce conduit L'invention a aussi pour but de fournir un dispositif indicateur de débit perfectionné empêchant l'assèchement d'un puits de pétrole. Un but supplémentaire de la présente invention est de fournir un dispositif indicateur de débit comprenant un élément mobile répondant à une pression hydrostatique à l'intérieur d'une structure en relation avec cet élément. Ces buts de l'invention ainsi que d'autres sont atteints au moyen d'un dispositif indicateur de débit construit essentiellement comme décrit ciZessus. Autres buts apparattront aux personnes qualifiées dans ce domaine, à la lecture du reste de l'exposé. Dans les dessins annexés: La fig. 1 est une coupe longitudinale d'un dispositif indicateur de débit, avec quelques pièces intentionnellement non sectionnées afin de mieux illustrer les détails de llinvention; La fig. 2 est une vue fragmentaire montrant le dispositif de contrôle de la fig. 1 en position ouverte La fig. 3 est une vue fragmentaire, partiellement en coupe, d'une partie du dispositif illustré aux fig. 1 et 2, suivant la ligne 3-3 de la fig. 1; La fig. 4 est une vue fragmentaire, en coupe, suivant la ligne 4-4 de la fig. 3; La fig. 5 est une vue partiellement en coupe, suivant la ligne 5-5 de la fig. 1, et la fig. 6 est une représentation schématique illustrant une application envisagée de l'invention. Conjointement avec les autres figures, la figure 1 montre un dispositif indicateur de débit qui comprend un carter principal à 1'intérieur duquel sont prévus une entrée 12, une sortie 14 et un orifice 16 interposé entre l'entrée et la sortie. Une partie supérieure 18 du carter est attachée de manière appropriée à la partie inférieure de celui-ci, par exemple au moyen des brides annulaires et d'art cercle de boulons, comme illustré. A la partie supérieure du carter, est superposé un carter de tube ascendant. Un diaphragme souple 22, interposé entre les faces des brides des éléments supérieur et inférieur du carter, divise l'intérieur du carter principal en une chambre d'entrée 24, une chambre de sortie 25 et une chambre supérieure 26. Un élément mobile 28 présente une face inférieure 30 qui est, de préférence, en un matériau élastique pour joint et qui permet à l'élément mobile de coopérer avec le bord orienté vers le haut de l'orifice mentionné précédemment. Un disque en métal 32 est attaché de manière amovible à l'élément mobile par un moyen approprié quelconque, afin de le fixer au diaphragme mentionné pré cédeinient. Au-dessus de ltélément mobile, est prévu un tube ascendant ou conduit d'égalisation 34 disposé concentriquement à son carter mentionné plus haut. L'élément mobile est percé d'un passaie 36 qui communique avec un passage 38 formé à l'intérieur du tube ascendant. Une série d'orifices 40, espacés radialement l'un de l'autre et éloignés de l'extrémité supérieure du tube ascendant, mettent 1'intérieur de celui-ci en communication avec l'intérieur de son carter. Le boiter isolé 6 d'un interrupteur À lanes est attaché au carter du tube ascendant et reçu télescopiquement à l'intérieur du tube ascendant meme dans lequel il coulisse. L'élément mobile est en outre muni de plusieurs passages 44, disposés verticalement, qui mettent la chambre supérieure en communication avec la chambre de sortie, indépendamment de la position de cet élément mobile. L'espace annulaire formé en 46 peut être réalisé avec des tolérances étroites, si on le désire, mais on ne croit pas cet expédient nécessaire, à moins que les trous de sortie du tube ascendant ne soient situés de manière à être recouverts par l'extrémité inférieure du boîtier de l'interrupteur à lames. Un aimant permanent 48, réglable est attaché de manière rigide à la partie d'extrémité marginale du tube ascendant et aligné à proximité étroite d'un interrupteur à lames blindé 50 qui est, de préférence, attaché à la surface intérieure 42 de la paroi périphérique. Des fils 52 sont connectés électriquement à l'interrupteur à lames. Un raccord 54 permet de retirer facilement l'interrupteur à rame du carter du tube ascendant, tandis qu'un couvercle 5t, protège l'extrémité supérieure du dispositif contre Aes éléments environnants. Le dispositif indicateur de débit peut s'utiliser dans un certain nombre d'applications différentes, par exemple pour actionner une soupape manoeuvrée par un solénoïde; on préfère toutefois expliquer les détails du fonctionnement à propos d'une pompeimmergée, équipée d'un combinateur mettant cycliquement en marche un moteur ctlectrique qui,àson tour, fournit l'énergie pour entraîner la pompe.L'interrupteur de la présente invention, est de préférence, raccordé au combinateur du moteur de manière telle qu'après mise en marche de celui-ci et aprs expiration d'un délai approprié permettant à l'élément mobile de l'indica teur de débit de prendre la position ouverte, une manoeuvre ultérieure de l'interrupteur à lames amenant celui-ci danssa position ouverte interrompe le passage du courant et arrête en conséquence le fonctionnement du moteur de la pompe. On pourrait remplacer l'aimant et l'interrupteur q' lames par d'autres dispositifs interrupteurs, tels que des circuits commandés pneumatiquement. En outre, l'incorporation de tringlages mécaniques actionnant des interrupteurs, tels qu'un interrupteur à mercure ou un interrupteur mécanique, est aussi considérée comme rentrant dans le cadre de cette invention. En supposant que la minuteri a amorcé l'écoulement du fluide venant de la zone de production d'un puits de pétrole, le gaz s'écoulera initialement par le passage suivant : entrée 12, chambre 24, orifice 36 passage 38, orifice 40, chambre 26, passages 44 situés dans l'élément mobile, pour parvenir dans la chan- bre 25 et s'échapper par la sortie 14. Ce processus n'action ne,-ni ne soulève pas l'élément mobile en l'écartant de l'ori- fice, puisqu'il n'existe pas de pression hydrostatique dans le tube ascendant. toutefois, quand le liquide arrive par l'entrée 12 et pénètre dans les passages 36 et 38, une pression hydrostatique s'établit à l'intérieur du tube ascendant où le liquide atteint un niveau d'équilibre situé en-dessous des orifices 40. le rapport entre la surface du diaphragme et le poids des divers éléments attachés à celui-ci doit assurer une force résultante qui déplace l'élément mobile vers le haut, avant que le liquide ne déborde par les orifices 40. Quand la pression hydrostatique provoque l'ouverture de l'élément mobile, le passage d'écoulement principal s'établit à travers le siège constitué par l'ori- fice et de là, par la sortie 14. Cette action permet au tube ascendant de recevoir télescopiquement le boîtier de l'interrupteur en alignant ainsi l'aimant avec l'interrupteur à lames, puis les contacts de l'interrupteur sont attirés par l'aimant et prennent la position fermée. Ceci doit se produire avant ltexpira- tion de la période de retard du combinateur du moteur.L-'interrupteur à lames commande maintenant la pompe et en cas d'ouverture de ces contacts, par suite de l'arrêt de l'écoulement du liquide, l'arrivée du courant au moteur de la pompe sera interrompue pour ainsi maintenir la pompe à l'arrêt en attendant le prochain cycle minuté du combinateur. En supposant que le réservoir associé au trou de forage soit asséché, le gaz s'écoulera par l'entrée 1 d'où il pénètrera dans l'orifice 36 pour s 1élever ensuite à l'intérieur du tube ascendant, traverser les orifices 40, revenir par le passage 44, puis s'écouler par la chambre 25 vers la sortie 14. Céci élimine la pression hydrostatiqize établie précédemment à l'intérieur du tube ascendant et en conséquence, les forces résultantes s'exerçant sur le diaphragme se modifient dans une mesure suffisante pour provoquer le déplacement de la soupape vers le bas. Ceci écarte l'aimant de l'interrupteur 3 lames et les contacts de celui-ci s'ouvrent pour interrompre l'alimentation du moteur de la pompe. Le dispositif de contrôle est maintenant à l'arrêt, en attendant le prochain cycle opératoire minuté qui se déroulera de la manière décrite ci-dessus R E V E N D I C A T I O N S 1. Dans un système de contre du débit pour distinguer un courant liquide d'un courant gazeux passant dans un conduit, dispositif indicateur de débit prévu pour entre raccordé gaz ce conduit, caractérise en ce qu'il comprend un dispositif constituant un carter principal avec une entree, une sortie, un orifice, un élément mobile et un conduit égalisateur, en ce que l'élé- ment mobile et orifice sont disposes à l'intérieur du carter principal et coopèrent ensemble pour former une chambre d'entrée, une chambre de sortie et une chambre supérieure, avec l'orifice interposé entre cette chambre d'entrée et cette chambre de sortie et l'élément mobile, interposé entre la chambre supérieure et la chambre d'entrée, en ce que l'entrée est raccordée à la chambre d'entrée et la sortie, à la chambre de sortie, en ce que ce dispositif comprend en outre un élément associé à l'élément mobile our permettre à ce dernier de se déplacer d'une position adjacente à l'orifice Jusqu'à une position espacée de celui-ci, en ce que le conduit égalisateur est fixé à l'élément mobile avec une partie au moins située dans la chambre supérieure et possède un dispositif formant un passage venant de la chambre d'entrée, traversant l'élément mobile et pénétrant dans la chambre sup-- rieure, ce passage dans le conduit égalisateur étant prévu pour établir dans celui-ci une pression hydrostatique, quand une quantité suffisante de liquide s'clo dans la chambre d'entrée, en ce qu'il excite un dispositif formant un passage venant de la chambre supérieure et traversant l'élément mobile en direction de la chambre de sortie, pour mettre a chambre supérieure en communication avec la chambre de sortie, quand l'élément mobile est adjacent à l'orifice, et en ce que le dispositif indicateur de débit comprend un orale de contrôle raccordé pour être actionné par ltélément mobile, afin de distinguer un courant liquide d'un courant gazera passant dans le dispositif. 2. indicateur de débit suivant la revendication caracté risé en ce qu'il comprend un aimant attaché l'élément mobile et prévu pour se déplacer avec celui-ci, un interruption action n magnétiquement et; prévu pour etre manoeuvr par cet aimant, de sorte que quand ce dernier est amené à proximité étroite de l'interrupteur, celui-ci est manoeuvrA pour ainsi assumer la fonction décrite, d'indiquer la présence d'1m courant de liquide. 3. Indicateur de débit suivant la revendication 1, caracté risé en ce qu'il comprend un aimant attaché à l'élément mobile et prévu pour se déplacer avec celui-ci, un interrupteur actionné magnétiquement et prévu pour être manoeuvré par cet aimant, de sorte que quand ce dernier est amené à proximité étroite de cet interrupteur, celui-ci est manoeuvré pour ainsi assumer la fonction décrite, d'indiquer la présence d'un liquide. 4. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit de fluide est le tube de production d'un puits de pétrole, et en ce qu'il comprend en outre une pompe de production installée à l'intérieur du puits, un moteur électrique pour ac tonner cette pompe, un dispositif constituant un combinateur pour le moteur, mettant cycliquement celui-ci sous tension, un dispositif attachant l'interrupteur au combinateur pour interrompre l'arrivée du courant au moteur quand le puits est asséché. 5. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile est un diaphragme souple dont les parties marginales s'étendant circonférentiellement sont fixées au carter principal, en ce que- l'élément mobile possède un dispositif formant une face sur celui-ci, en ce que l'orifice possède une partie marginale orientée vers le haut, formant une entrée dans celui-ci et engageant la face de l'élément mobile quand celuici vient au contact de l'orifice, en ce que le dispositif formant un passage d'écoulement de la chambre supérieure vers la chambre de sortie revêt la forme de passages disposés verticalement, traversant la face de l'élément mobile et espacés du conduit égalisateur, de sorte que le gaz s'écoule de la chambre d'entrée traverse ltélément mobile, passe par le conduit égalisateur dans la chambre supérieure, arrive par les passages disposés verticalement dans 11 orifice et dans la chambre de sortie. 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le conduit égalisateur a la forme d'un tube ascendant stécar- tant de l'élément mobile dans le sens opposé à la face de celuici, de sorte que le liquide s'écoule dans la chambre d'entrée, à travers l'élément mobile, et dans ce tube ascendant pour ainsi établir dans celui-ci une pression hydrostatique qui provoque le soulèvement de la face en l'écartant de l'orifice, de sorte qu'ensuite, l'élément mobile est amené dans la position décrite, espacée de l'orifice et permet ainsi au courant de liquide de passer de l'entrée à la sortie. 7. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que orifice a la forme d'une paroi percée d'une ouverture, en ce que l'élément mobile a la forme d'un diaphragme portant un bouchon prévu pour se poser contre 1'orifice, dériver ainsi le courant de fluide gazeux de l'entrée vers la chambre superieure et de là vers la chambre de sortie, et permettre au fluide liquide de s'écouler directement de la chambre d'entrée vers la chambre de sortie, quand le bouchon est soulevé et écarté de ltori- fice. 8 Procédé pour distinguer un courant liquide d'un courant gazeux passant dans un conduit, caractérisé en ce qu'il consiste à (1) conduirCle courant dans une chambre d'entrée et de cette chambre dans une chambre de sortie, et à séparer la chambre d'entrée de la chambre de sortie par une soupape mobile; (2) raccorder un tube ascendant à la soupape, afin d'établir une pression hydrostatique dans ce tube quand il est rempli de liquide; ; (3) former un passage d'écoulement de la chambre d'entrée dans le tube ascendant, à travers la soupape, et dans la chambre de sortie (4) former un passage d'écoulement de la chambre d'entrée dans la chambre de sortie, quand la soupape ne sépare pas ces deux chambres l'une de l'autre, de sorte que l'écoulement du gaz s'effectue le long du passage décrit à la phase (3), tandis que le courant de liquide provoque le déplacement de la soupape pour lui permettre de s'écouler suivant le passage décrit à la phase (4).