Brevet FR2146908A1 — publié le 19730309

La présente invention est relative,d'une façon générale, aux appareils de levage et concerne plus particulièrement de tels appareils qui sont destinés à imposer en permanence à une charge quelconque un mouvement vertical alternatif. Ces appareils de levage sont utilisés notamment dans les installations de pompage de pétrole, application à laquelle se rattache l'invention bien qu'elle nty soit nullement limitée, en pratique. Dans les installations de pompage d'un puits de pétrole, il est prévu, en général, une pompe située dans le puits pompé et animée d'un mouvement alternatif par l'intermédiaire d'un train de tiges qui s'étend vers la surface et auquel est connecté un dispositif moteur à mouvement alternatif. Jusqu'à présent, de telles installations pour puits pompés utilisaient la pompe dite "à balancier" bien connue qui déterminait la physionomie du paysage d'un champ de pétrole. Or, s'il est vrai que ces pompes à balancier sont dtun fonctionnement très sûr, il n'en reste pas moins que leur encombrement et leur poids sont très élevés.Cela constitue un inconvénient d'autant plus grave, qu'à l'heure actuelle, la prospection en mer se développe considérablement et que ces pompes doivent donc être montées sur des plate-trmes émergeant de la surface de l'eau. Comme les têtes de puits peuvent se trouver parfois à une profondeur de 80 à 100 m, on comprend qu'il est essentiel de réduire autant que possible le poids et l'encombrement des parties de la pompe situées sur la plateforme, pour réduire le plus possible les dimensions et, partant, le poids de celle-oi. L'appareil de levage qui fait l'objet de l'invention est en mesure de remédier aux inconvénients des pompes à balancier de la technique antérieure. L'invention a donc pour objet un appareil de levage destiné à doter une charge d'un mouvement alternatif permanent, dans lequel la charge est suspendue à un organe de liaison souple auquel est attaché un contrepoids d'équilibrage, l'équipage constitué par la charge, le contrepoids et l'organe de liaison souple étant animé par un moteur à fluide par l'intermédiaire d'un organe d'entratnement, le moteur étant alimenté par une pompe hydraulique, caractérisé en ce que ladite pompe est du type à débit variable, et il comprend en outre un dispositif de commande agissant sur ladite pompe pour imposer à celle-ci un régime de travail selon une loi prédéterminée par inversions répétées du débit de fluide. Grâce à ces caractéristiques, il est possible de construire un appareil de levage de forme très ramassée, d'un poids comparativement très faible et d'un fonctionnement très sûr. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la puissance de la pompe à débit variable est calculée en fonction d'une valeur nominale correspondant à la moyenne arithmétique des efforts de traction effectués dans l'organe souple pendant les deux phases du mouvement alternatif, le contrepoids d'équilibrage ayant une masse égale à ladite moyenne arithmétique. Cette caractéristique s' avère très avantageuse, car elle permet dans la pratique de réduire à une valeur minimale la puissance du train de transmission d'énergie constituée par le moteur à fluide, la ompe à débit variable et le dispositif moteur qui entratne cette dernière. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple la Fig. 1 est une vue en élévation et partiellement en coupe de 1' ensemble d'un appareil de levage suivant l'invention, appliquée à l'exploitation d'un puits de pétrole pompé; la Fig. 2 est une vue latérale en élévation de cet appareil; la Fig. 3 est une vue schématique en plan montrant le dégagement du puits de pétrole en cas d'entretien de celui-ci; la Fig. 4 est une vue schématique en perspective d'une partie de l'appareil suivant l'invention; les Fig. 5A et 5B montrent des vues en perspective et à plus grande échelle de deux détails de l'appareil de la Fig. 4; les Fig. 6 et 7 montrent des graphiques illustrant le fonctionnement de l'appareil de levage de l'invention. En se référant tout d'abord aux Fig. 1 à 3,on décrira l'agencement général de 1' appareil de levage à mouvement alternatif, suivant l'invention. On remarquera que l'appareil représenté constitue une application particulière de l'invention, à 11 exploitation d'un puits de pétrole pompé, l'invention pouvant bien entendu trouver d'autres applications si on le souhaite. L'appareil de levage représenté comporte une ossature 1 revêtant la forme générale d'une armoire susceptible d'être fermée par des parois étanches amovibles (non représentées) de façon connue en soi. L'ossature 1 est montée sur pivot 2 qui prend appui sur une plaque de base 3, rigidement fixée à une plate4brme d'exploitation P se trouvant, par exemple, à un emplacement d'exploitation de pétrole "ofr shore" à une dizaine de mètres au-dessus de la surface de l'eau. L'ossature 1 comporte un certain nombre de dispositifs de roulement 4 prenant appui sur la plaque de base 3 et assurant un pivotement aisé de l'ensemble autour de l'axe du pivot 2 afin de pouvoir dégager le puits de pétrole pour l'entre- tien, par exemple (voir la ligne en pointillé sur la Fig. 3). Le pivot central 2 est pourvu d'un passage axial à travers lequel s'étend un organe souple de liaison 5 tel qu'une chatne à maillons connectée, d'une part, au train de tige T de la pompe proprement dite se trouvant au fond du puits et constituant la charge de l'appareil de levage et, d'autre part, à un contrepoids C d'équilibrage. La chatne 5 est en prise avec une roue à chatne 6. La roue à chatte 6 est entratnée directement en rotation par l'intermédiaire de l'arbre 7 d'un moteur 8 hydraulique reversible (Fig. 2) monté convenablement dans l'ossature 1. Ce moteur peut éventuellement entratner la roue à chatne 6 par 1 'intermé- diaire d'un réducteur. Le moteur hydraulique 8 est alimenté en fluide par une pompe à fluide et à débit variable 9 fixée dans le fond de l'armoire 1 et entratnée en rotation par un moteur électrique antidéllagrant 10 classique auquel elle est couplée directement. Le débit de la pompe à débit variable 9 est commandé par l'intermédiaire d'un levier de commande 11 actionné par un vérin 12 > éléments qui seront décrits en détail ci-dessous à propos de la Fig. 4. ta puissance de la pompe et,partant, des moteurs hydraulique et électrique est calculée en fonction d'une valeur minimale correspondant à la moyenne arithmétique des efforts de traction effectués dans la charnu pendant la montée et la descente du train de tiges T. Ces efforts de traction sont constitués, P étant le poids du train de tiges - à la montée par la charge F représentant le poids des tiges, le poids de la colonne de liquide, l'effort de refoulement et les frottements des guidages; - à la descente par la charge R En opposition au train de tiges, le contrepoids C a une masse P' qui assure l'équilibrage entre la montée et la descente des efforts appliqués à la pompe et aux moteurs A la montée l'effort résistant sera (F-P'), tandis qu'à la descente il sera (P'-R), et pour que ces deux efforts soient égaux, il suffit d'établir la moyenne arithmétique, de sorte que l'on a: P' = F + R 2 Ainsi si, par exemple, d'une part, le train de tiges T a un poids réel P de 1200 Kgs compte non tenu des forces de frottement son poids apparent à la montée sera seulement de 800 Kgs.A la montée, l'effort à fournir, c'est-à-dire la charge F citée ci-dessus sera de 4.000 Kgs par exemple, de sorte que 'le poids du contrepoids sera , = F + R = 4000 + 800 = 2400 Kgs 2 - 2 = Evidemment ces valeurs ne sont données qu'à titre d'exemple. Elles dépendent notamment de la situation sur le terrain, de la profondeur du puits, etc. Le moteur éléctrique entratne également un dispositif de réfrigération de fluide 13a dans lequel circule le fluide hydraulique utilisé avant d'être refoulé dans une bâche principale 13b. L'ossature 1 loge enfin un dispositif de commande 14 dont le détail sera décrit ci-après en se référant aux Fig. 4, SA et 5B. La pompe à débit variable peut être de tout type approprié commandé de préférence par un levier articulé dont l'angle d'inclinaison autour de son point d'articulation est directement proportionnel au débit fourni. Un type de pompe particulièrement approprié est celui fabriqué et vendu sous le nO SPV 23 par la Société Sauer Comme on le voit sur la Fig. 5B, le levier 11 peut se déplacer entre deux positions extrêmes p1 et p2 correspondant respectivement aux débits maximaux dans un sens ou dans l'autre, en passant par une position neutre dans laquelle le débit est nul, (ligne PO sur la Fig. 5B). Ainsi, par exemple, quand le levier est dans la position p1 la pompe 9 alimente le moteur 8dans un certain sens correspondant par exemple à la montée.Quand il est dans la position p2,1e moteur 8 tourne en sens inverse ce qui correspond à la descente du train de tiges T. Par ailleurs, de part et d'autre de la ligne pO correspondant au débit nul, le débit et donc la vitesse du moteur 8 est proportionnel à l'angle du levier 11 par rapport à la ligne pO. Le dispositif de commande représenté aux Fig. 4, 5A et 5B permet d'imposer au levier 11 un mouvement périodique assurant un mouvement de va et vient régulier du train de tiges T. Dans le mode de réalisation représenté, la loi imposée à la pompe est celle de la Fig. 6, sur laquelle la courbe V indique la vitesse du train de tiges T avec un palier bas V1 de vitesse négative représentant la descente, une partie transitoire 82 correspondant à l'inversion du mouvement, un palier haut v3 de vitesse positive, représentant la montée et enfin une partie transitoire v4 correspondant à l'inversion de mouvement en fin de course haute. La courbe G correspond à l'accélérationgdutrain de tiges T au cours d'une période, tandis que la courbe P représente la pression, le palier P1 indiquant la pression statique dans les conduites d'alimentation du moteur et p2 indiquant la pression statique majorée de la pression dynamique au cours du mouvement. On voit donc que le mouvement de va et vient de 1' appareil de levage correspond à une inversion brusque de la vitesse aux points haut et bas donc à une inversion brusque de la position du levier 11 aux moments d'inversion du sens du mouvement. Toutefois, l'inversion de la vitesse ne peut être immédiate à ces moments en raison des inerties cinématiques et hydrauliques des mécanismes. C'est pourquoi la courbe de la vitesse parcourt pendant chaque période deux intervalles transitoires (parties V2 et v4, les pentes étant rendues aussi faibles que possible grâce au mécanisme du dispositif de commande qui va maintenant être décrit. Sur la Fig. 4, on voit que le dispositif de commande 14 est connecté à l'arbre de sortie 7 du moteur hydraulique 8 par l'intermédiaire d'une transmission 15 qui peut être de tout type approprié, mais qui est à chatne dans l'exemple représenté. La transmission à chatne 15 entratne par un mouvement de rotation alternatif deux arbres de commande 16a et 16b suspendus convenablement dans l'ossature 1, le rapport de transmission étant tel qu'ils fassent un peu moins d'un tour pour une moitié de période de mouvement du train de tiges T. Les arbres l6a et 16b sont couplés par des pignons 17a et 17b. L'arbre 16a est connecté à un index 18 apparaissant sur le devant de l'appareil de levage (Fig. 1 et 4) afin de pouvoir contrôler le déroulement des opérations. L'index 18 se déplace devant une graduation 19. Les arbres 16a ou 16b sont munis de mécanismes à taquet 20a, 20b, coopérant avec un levier 21 oscillant autour d'un arbre 22 (Fig. 5A). L'arbre 16a est solidaire d'une plaquette 23a portant à l'une de ses extrémités une barrette 24a parallèle à l'arbre 16a. Un levier 15a est articulé à l'une des extrémités de la barrette 24a et est rappelé dans une position donnée par un ressort de rappel 26a. Le levier 25a porte, d'une part, un galet 27a se déplaçant en permanence sur la surface extérieure d'un cône 28a qui est fixe en rotation. En revanche, ce cône peut se déplacer axialement par rapport à l'arbre 16a sous l'action d'un volant de réglage 29a dont le but apparaetra dans la suite. Le galet 27a est appuyé en permanence sur la surface conique sous l'action du ressort 26a. L'extrémité du levier 25a opposée au galet 27a porte, d'autre part, un taquet 30a agissant, le cas échéant, sur un galet 31 monté à l'ex- trémité libre du levier 21. Le mécanisme 20b comprend les mêmes pièces que le mécanisme 20a, pièces qui portent sur la Fig. 4 les mêmes références complétées par le suffixe non. On voit immédiatement quten agissant sur les volants 29a et 29b des mécanismes 20a et 20b on peut modifier par rapport à la position angulaire de l'arbre 16a ou 16b associés, les instants de contact respectifs des taquets 30a et 30b sur le galet 31 du levier 21. I1 en résulte une modification soit du point "haut" du train de tiges T, soit une modification du point "bas" de celui-ci, les réglages pouvant se faire indépendamment et au cours de la marche normale de l'appareil. Sur la Fig. 5A on voit que l'arbre 22 est monté à rotation dans une bolte 32, fixée à l'ossature 1 et comprenant deux butées 33a et 33b limitant le débattement maximal du levier 21 et déterminant les positions dans lesquelles il reçoit les impacts des taquets 30a et 30b. L'arbre 22 présente à peu près en son milieu deux plaques 34 sur lesquelles est articulé un dispositif élastique 35 qui, par ailleurs, est articulé sur un axe 36 monté parallèlement à l'arbre 22. L'axe 36 est solidaire de deux flasques 37 orientés perpendiculairement à l'arbre 22 et articulés dans la botte 32 grâce à un axe 38 auquel ils sont solidaires. L'ensemble de l'arbre 22, des axes 36 et 38, des plaques 34, du dispositif élastique 35 et des flasques 37 forme un dispositif à franchissement de point mort indiqué par la référence générale 39. L'arbre 38 est solidaire d'un bras 40 qui actionne un distributeur 41 commandant à son tour le vérin 12 qui est accouplé au levier 11 de la pompe à débit variable 9. Le distributeur 41 permet de relier les deux faces du piston (non représenté) du vérin 12 soit à la pression d'une pompe de gavage 42 pouvant faire partie de la pompe 9, soit à la bâche 13b par l'intermédiaire de canalisations respectives 43 à 46.La pression de commande de la pompe de gavage 42 est tarée à une valeur maximale de 15 bars, par exemple, grâce à une soupape tarée 47, montée entre la canalisation de pression 46 et la bâche 13 par l'intermédiaire d'une canalisation 48. I1 est à noter que, dans le but de simplifier le dessin, le circuit hydraulique représenté n1 est pas complet, le dispositif de réfrigération et les dispositifs de sécurité notamment n'étant pas représentés. Comme on le voit en particulier sur la Fig. 5B le débat- tement du levier 11 est limité par un dispositif de réglage 49 constitué par un support 50 auquel est solidaire une coulisse 51. Deux écrous 52 et 53 guidés par la coulisse 51 se déplacent sur un arbre rotatif 54 à manivelle présentant des filetages de sens opposés, sa rotation provoquant le rapprochement ou l'éloignement simultanés des deux écrous 52 et 53. Chaque écrou porte une butée 55 sur laquelle vient appuyer respectivement 11 extrémité libre du levier 11. Le dispositif de réglage 49 permet de déterminer la fréquence du mouvement de va et vient du train de tiges T puisqu'il détermine des positions de débit donc de vitesse du levier 11. Le fonctionnement est le suivant A tour de rôle, les taquets 30a et 30b viennent actionner l'inverseur mécanique constitué par le levier 21 et le dispositif à franchissement de point mort 39. Dans un premier temps, le taquet 30a par exemple vient en contact avec le galet 31 en comprimant le dispositif élastique 35 sous l'action du levier 21. Lorsque le moment d'équilibre instable de ce dispositif élastique est atteint ce dernier, jusque là résistant, devient moteur et fait venir rapidement en butée le levier 21, ce qui provoque le déplacement rapide du tiroir du distributeur 41.Ce dernier, comme on l'a vu plus haut, actionne le vérin 12 poussant le levier 11 de la position p2 à la position P1, par exemple. I1 en résulte une inversion du mouvement du train de tiges T au bout d'un intervalle qui est fonction du temps de rdponse de la pompe 9. Lorsque le point mort opposé du mouvement est atteint, c'est le taquet 30b qui agit sur le levier 21, ce qui a pour effet l'action inverse du distributeur 41, du vérin 12 et donc le déplacement de la position p1 à la position p2 du levier 11. I1 est à noter que la répidité de l'inversion du mouvement de va et vient peut gtre déterminée par un gicleur de temporisation convenablement calibré (non représenté) pouvant être prévu dans le servo commande de la pompe à débit variable 9 elle-mêne. La Fig. 7 montre pour une demi-période du mouvement de va et vient (en montée ou en descente) l'allure de deux courbes de la puissance absorbée par le moteur électrique 10 qui entratne la pompe 9, les courbes cl et c2 correspondant respectivement à l'utilisation de deux gicleurs différents dont il a été question ci-dessus. La ligne c3 indique la puissance moyenne demandée dans les deux cas. On voit qu'une crête de puissance est demandée au début de la demi-période (accélération du train de tiges T). Grâce à l'invention, on constate que les variations de valeur de la charge en montée et en descente n' influent pas sur la loi du mouvement de va et vient qui est au contraire imposée par le réglage du débit de la pompe, d'une part, et de la rapidité d'inversion, d'autre part, rapidité qui est fixée par le gicleur prévu dans la pompe. Cet avantage est obtenu en raison du fait que l'on utilise une transmission hydrostatique ou, autrement dit, une transmission directe d'énergie entre la pompe à débit variable et le moteur hydraulique par fluide sous pression et en circuit fermé. Cet agencement permet ainsi de concevoir un appareil de levage de conception extrêmement ramassée et d'un encombrement et d'un poids très faibles. I1 est à noter enfin que le train de tiges T peut être remplacé par une charge quelconque devant subir un mouvement de va et vient régulier. REVENDICATIONS 1. Appareil de levage destiné à doter une charge d'un mouvement alternatif permanent, dans lequel la charge est suspendue à un organe de liaison souple auquel est attaché un contrepoids d'équilibrage, l'équipage constitué par la charge, le contrepoids et 1? organe de liaison souple étant animé par un moteur à fluide par l'intermédiaire d'un organe d'entratnement, le moteur étant alimenté par une pompe hydraulique, caractérisé en ce que ladite pompe (9) est du type à débit variable, et il comprend, en outre, un dispositif de commande (14) agissant sur ladite pompe (9) pour imposer à celle-ci un régime de travail selon une loi prédéterminée par inversions répétées du débit de fluide. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite loi prédéterminée étant appliquée à la vitesse de ladite charge (T), elle suit une courbe graphique sensiblement en forme de crénaux (Fig. 6). 3. Appareil suivant l'une quelconque des ravendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance de la pompe à débit variable (9) est calculée en fonction d'une valeur minimale correspondant à la moyenne arithmétique des efforts de traction effectués dans ledit organe souple pendant les deux phases du mou- vement alternatif, le contrepoids (C) d'équilibrage ayant une masse égale à ladite moyenne arithmétique. 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel ladite pompe à débit variable comprend un organe de réglage dont la position est proportionnelle au débit fourni par la pompe et donc à la vitesse dudit moteur à fluide, caractérisé en ce que ledit dispositif de commande (14) comporte des moyens d'actionnement (20a, 20b) couplés audit organe d'entratnement (6) et agissant sur ledit organe de réglage (11) par l'intermédiaire d'un dispositif (21, 32 à 40) agissant par franchissement de point mort, lesdits moyens d'actionnement (20a, 20b) étant actifs aux points haut et bas dudit mouvement alternatif. 5. Appareil suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit dispositif (21, 32 à 40) agissant par franchissement de point mort est couplé audit levier (11) par l'intermédiaire d'une transmission hydraulique (12, 41). 6. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits moyens d'actionnement comprennent deux arbres ( 16z, 16b) entratnés en rotation par ledit organe d'entratnement (6) et entratnant chacun un taquet (30a ou 30b) susceptible de venir en contact respectivement avec l'extré- mité d'un levier articulé (21) d'entrée dudit dispositif à franchissement de point mort (21, 32 à 40), dans l'une ou l'autre des positions que ce levier peut occuper, positions qui correspondent respectivement aux points haut et bas dudit mouvement alternatif. 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d'actionnement (20a, 20b) comprennent des moyens de réglage (26a à 29a et 26b à 29b) permettant de faire varier lesdits point haut et bas dudit mouvement alternatif. 8. Appareil suivant la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de réglage (26a à 29a et 26b à 29b) sont conçus de manière à permettre un réglage indépendant des points haut et bas. 9. Appareil suivant les revendications 6 et 8 prises ensemble, caractérisé en ce que lesdits arbres (16a, 16b) sont disposés parallèlement de part et d'autre dudit levier (21) qui est agencé de manière à osciller dans un plan perpendiculaire auxdits arbres (16a, 16b), et lesdits moyens de réglage (26a à 29a et 26b à 29b) comportent des dispositifs (27a, 27b, 28a, 28b) pour faire varier les positions desdits taquets par rapport aux axes des arbres (16a, 16b) et, partant, les points d'impact des taquets (30a, 30b) avec ladite extrémité du levier articulé (21). 10. Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce que chaque taquet (30a ou 30b) est monté sur l'extrémité d'un levier (25a ou 25b) monté oscillant autour d'un axe parallèle à celui de l'arbre associé (16a ou 16b) tout en étant solidaire en rotation de ce dernier, le levier portant à son extrémité opposée un galet (27a ou 27b) appuyé élastiquement sur une surface conique (28a ou 28b) fixe en rotation et de même axe que l'arbre associé (16a ou 16b), mais déplaçable axialement à volonté de manière à modifier l'écartement dudit taquet (30a ou 30b) par rapport à l'axe dudit arbre (16a ou 16b) et, partant, le point d'impact desdits taquets sur l'extrémité dudit levier oscillant d'entrée (21). 11. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que ladite transmission hydraulique (12, 41) comporte un distributeur (41) actionné par un bras de sortie(40) dudit dispositif (39) agissant par franchissement d'un point mort, le distributeur étant relié à un vérin à double effet (12) connecté à son tour audit organe de réglage (11). 12. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que ledit organe de réglage (11) est associé à des moyens (47) permettant d'en limiter de façon réglable le débattement pour régler la fréquence dudit mouvement alternatif. 13. Appareil suivant la revendication 12, caractérisé en ce que ledit organe de réglage (11) étant un levier articulé, lesdits moyens de limitation (47) comportent deux butées réglables (55) contre lesquelles ce levier vient en contact lors des inversions dudit mouvement alternatif. 14. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il et construit dans une ossature (1) munie d'un pivot central (2) lui permettant d'osciller autour d'un axe vertical. 15. Puits à pétrole muni d'un appareil de levage suivant l'une quelconque des revendications 1 à 14.