Brevet FR2285532A1 — publié le 19760416

La présente invention concerne de manière générale les pompes et plus précisément les pompes hydrauliques destinées aux puits de pétrole ou analogues. Elle concerne aussi une pompe commandée par une turbine libre et capable de se déplacer dans le puits de manière hydraulique. L'invention concerne plus précisément une pompe commandée par turbine libre qui comprend une turbine a' écoulement axial et une pompe à écoulement axial alignées axialement et mises bout à bout, la turbine étant placée au-dessus de la pompe et ayant une admission et un échappement de fluide moteur, la pompe ayant une entrée et une sortie de fluide du puits. Dans la pompe commandée par une turbine libre, décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 758 238, l'équilibre axial entre les forces exercées par la turbine et la pompe est obtenu par disposition de l'admission de fluide moteur près de ltextrémité supérieure de la turbine et de l'é- chappement de fluide moteur près de son extrémité inférieure, l'entrée du fluide du puits étant disposée près de l'extrémité supérieure de la pompe et la sortie de production de fluide près de l'extrémité inférieure de celle-ci.Cette disposition de l'admission et de l'échappement du fluide moteur et de l'entrée et de la sortie du fluide du puits assure un équilibrage excellent des forces exercées par la turbine et par la pompe, la turbine créant une force dirigée vers le bas et la pompe une force dirigée vers le haut, ces deux forces s'annulant. Cependant, la construction décrite dans le brevet précité présente un inconvénient, celui d'imposer la disposition de l'entrée du fluide de la pompe près de l'extrémité supérieure de celle-ci si bien que les pertes sont relativement élevées étant donné que les vitesses du fluide sont importantes, car le passage débouchant à l'entrée de fluide du puits est nécessairement relativement étroit étant donné l'espace limité disponible dans le puits. L'invention concerne une pompe à commande par turbine libre dans laquelle les forces de poussée sont équilibrées et les pertes de débit sont minimales, vers l'entrée de fluide de la pompe. Plus précisément, l'invention concerne une pompe dans laquelle l'entrée de fluide moteur est adjacente à l'extrémité inférieure de la turbine et l'échappement du fluide moteur est adjacent à l'extrémité supérieure de celle-ci, l'entrée du fluide du puits étant adjacente à l'extrémité inférieure de la pompe et la sortie de fluide produit est adjacente à l'extré- mité supérieure de la pompe ainsi qu'à l'entrée de fluide moteur. Dans le mode de réalisation considéré, les pertes de débit du fluide du puits circulant vers l'entrée de fluide de la pompe sont minimales, selon une caractéristique importante de l'invention. L'invention concerne un dispositif disposé entre l'en- trée de fluide moteur et la sortie de fluide produit et destiné à équilibrer les forces axiales de poussée exercées sur la turbine et la pompe. Plus précisément, l'invention concerne une pompe commandée par une turbine libre et qui comprend une turbine à écoulement axial et une pompe d'écoulement axial, associées l'une à l'autre et disposées bout à bout en direction axiale, la turbine étant placée au-dessus de la pompe, la turbine ayant une admission de fluide moteur proche de son extrémité inférieure et un échappement de fluide moteur proche de son entrée mité supérieure, la pompe ayant une entrée de fluide du puits adjacente à son extrémité inférieure et une sortie de fluide produit adjacente à son extrémité supérieure et à l'admission de fluide moteur, et un dispositif placé entre l'admission de fluide moteur et la sortie de fluide de production et destiné à assurer la compensation des forces axiales de poussée exercées sur la turbine et la pompe. L'invention concerne aussi un dispositif de compensation comportant des surfaces tournées vers le bas et vers le haut respectivement et exposées à la pression du fluide moteur et à la pression du fluide produit. Plus précisément, l'invention concerne un ensemble dans lequel la turbine et la pompe sont reliées par un arbre dont l'extrémité supérieure est exposée à la pression du fluide moteur utilisé au niveau de l'échappement du fluide moteur, le dispositif de compensation de poussée comprenant une surface annulaire tournée vers le bas, associée à l'arbre et exposée à la pression du fluide moteur dans l'admission de fluide moteur. Dans un tel ensemble, le dispositif de compensation de poussée comprend aussi une surface annulaire tournée vers le haut et associée à l'arbre, cette surface étant distante axialement de la surface tournée vers le bas et étant exposée à la pression du fluide produit à la sortie de fluide produit. D'autres caractéristiques et avantages de l'Invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur -lesquels la figure 1 est une coupe verticale semi-schématique de 'extrémité supérieure d'une pompe libre à commande par turbine selon l'invention, comprenant un ensemble fermé et parallèle d'alimentation en fluide moteur ; la figure 2 représente la suite de la figure I, vers le bas ; et la figure 3 est une coupe verticale agrandie d'un dispositif de compensation de poussées axiales selon l'invention. Sur les figures 1 et 2, un ensemble 10 de fond de puits est suspendu dans un tubage il de puits de pétrole par une colonne 12 de fluide moteur, ce dernier étant par exemple un brut propre. Il faut noter que le tubage 17 comporte des perforations non représentées permettant l'entrée du fluide du puits de la formation ou des formations productrices, à l'intérieur du tubage. L'ensemble 10 délimite une chambre 14 destinée à contenir une pompe 16 à commande par turbine selon l'invention. Comme décrit en détail dans la suite, la pompe 16 est mobile hydrauliquement dans la colonne 12 entre la surface et une position de travail dans la chambre 14. Lorsque la pompe 16 est en position de travail, elle prend appui sur un clapet 18 d'as piration porté par l'ensemble 10 à I)extrérnité inférieure de la chambre de pompage. Une colonne 20 de retour de fluide moteur et une colonne 22 de fluide produit sont parallèles a la colonne 12 de fluide moteur et sont reliées à leur extrémité inférieure à l'ensemble 10. Ces colonnes transportent le fluide moteur usé et le fluide produit par le puits vers la surfaCe. Les colonnes 20 et 22 de retour-et ae production communiquent avec des passages 23 et 24 de l'ensemble 10. La pompe 16 est entraînée hydrauliquement car elle est disposée à l'extrémité supérieure de la colonne 12, à la surface, puis elle reçoit du fluide provenant de la colonne disposée au-dessus de la pompe. De cette manière la pompe 16 cst descendue dans la colonne 12, vers sa position de fonctionnement dans la chambre 14, et elle prend appui contre ie clapet 18. Le fluide de la colonne 12 au-dessous de la pompe 16 est chassé vers le haut par les passages 23 et 24 de retour et/ou de production et les colonnes 20 et 22. Lorsque la pompe doit être retirée hydrauliquement du puits, du fluide sous pression est introduit à l'extrémité supérieure de la colonne 22, la colonne 20 étant fermée à son extrémité supérieure.Le fluide parvient dans la chambre 14 sous la pompe 16, circule dans le passage 24 comme représenté sur la figure 2, et chasse la pompe vers le haut de la chambre de pompage puis dans la colonne 12. La pompe 16 comporte à son extrémité supérieure le mandrin habituel 26 de garniture portant une ou plusieurs coupelles 28 de garniture ou packer empochant que le fluide destiné à la cIrculation de la pompe ne remonte à l'extérieur en court-circuitant la pompe 16. La pompe 16 comporte près de son extrémité supérieure une turbine 30 à écoulement axial et, près de son extrémité inférieure, une pompe 32 à écoulement axial, disposées bout à bout et reliées par un arbre commun 34. La turbine 30 comprend une admission 36 de fluide moteur près de son extrémité inférieure et un échappement 38 de fluide moteur usé, près de son extrémité supérieure. L'admis sion 36 communique avec la colonne 12 par des orifices 39 du mandrin 26, un passage axial 40 de ce mandrin5 des canaux 41 de ce mandrin, un passage 42 de l'ensemble 10, un espace annulaire 43 disposé entre la chambre 14 et la pompe 16 et des canaux 57 formés dans la pompe. (Un clapet 44 de retenue, ouvrant vers le bas dans le passage 40, empêche la remontée du fluide dans ce passage lors de la sortie de la pompe 16 hors du puits). L'échappement 38 communique avec le passage 23 par un passage axial 45 de la pompe 16 et des canaux 46 de l'ensem- ble 10. La pompe 32 comporte une entrée 48 de fluide du puits, près de son extrémité inférieure et communiquant directement avec le clapet 18. La pompe 32 comprend une sortie 50 de fluide produit, à son extrémité supérieure, communiquant par des canaux 52 avec un espace annulaire 54 délimité entre la chambre 14 et la pompe 16. Cet espace annulaire communique, à son extrémité inférieure, avec l'extrémité inférieure du passage 24, par des canaux 56 de l'erisemble 10. Ainsi, le fluide moteur provenant de la colonne 12 pénètre dans la turbine 30 par l'admission 35 et le fluide moteur usé est évacué par l'échappement 38 et pénètre dans la colonne 20, par les canaux et passages décrits. De manière analogue, le fluide du puits qui circule dans le clapet 18 pénètre à l'entre 48 de la pompe 32, directement, et le fluide produit est évacué à la sortie 50 et pénètre dans la colonne 22, par les canaux et passages décrits. Bien que les forces axiales de poussée de la turbine 30 et de la pompe soient équilibrées, il apparaît un déséquilibre résultant dans l'ensemble rotatif car l'extrémité supérieure 84 de l'arbre 34 (figure 1) et l'extrémité inférieure 86 de cet arbre (figure 2) sont exposées à des pressions inégales si bien qu'il apparaît une force résultante de poussée tournée vers le bas. Selon l'invention, un dispositif 60 représenté sur la figure 3 est monté entre l'admission 36 et la sortie 50 et permet la compensation de cette force de poussée, selon une caractéristique importante de l'invention. Plus précisément, le dispositif 60 selon l'invention destiné à compenser la poussée axiale comprend une sulfate annulaire 62 tournee vers le haut et une surface annlalre 64 tournée vers le bas et plus petite que la surface 62, les -deux surfaces étant exposées respectivement à la pression du fluide produit et à la pression du fluide moteur, et étant formes sur des organes 66 et 68 convenablement associés l'un à l'aux tre et aux parties supérieure et inférieure de l'arbre 34. La surface annulaire 62 est exposée à la pression du fluide de production par l'espace annulaire 70 qui entoure l'organe 66, une gorge annulaire 72 qui entoure ce mêJne organe et un passage longitudinal 74 formé dans la pompe 16 et qui communique à son extrémité inférieure avec la sortie 5C. La surface 64 est reliée par un passage 76 ae la pompe 15, une gorge annulaire 78 de la pompe et des canaux radiaux 80 et 82 de la pompe à l'espace annulaire 43 qui contient du fluide moteur à la pression dans la colonne 12 Ainsi, la surface 62 est exposée à la pression du flui- de produit et la surface 64 à celle du fluide moteur. Il faut noter que l'extrémité supérieure 84 de l'arbre 34 (figure 1) est exposée à la pression du fluide moteur usé au niveau de l'échappement 38, et que l'extrémité inférieure 86 de l'arbre 34 est exposée à la pression du fluide du puits à l'entrée 48. Les surfaces 62 et 64 sont choisies de manière que les pressions qui agissent sur elles et celles qui agissent sur les extrémités 84 et 86 de l'arbre créent des forces axiales de poussée qui sont équilibrées ou pratiquement compensées. De préférence, la force résultante est une faible poussée axiale vers le bas qui élimine le jeu axial de 11 arbre. Il faut noter que, dans le cas du dispositif 60 décrit, le fluide du puits peut pénétrer 8 l'extrémité inférieure de la pompe 32 directement par l'entrée 48 dont la section est importante. De cette manière, les pertes de débit sont minimales, comme décrit précédemment. Bien qu'on ait représenté des colonnes 20 et 22 séparées pour le retour du fluide moteur et pour le fluide pro duit, il faut noter que l'une de ces colonnes peut être remplacée par le tubage 11, par mise en place d'une garniture ou d'un packer entre le tubage et l'ensemble 10, et dans ce cas le tubage forme Itun des trains de tiges de l'ensemble. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments consitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. EtEYENDI CATI ONTS 1. Pompe à commande par turbine, destinée au pompage du fluide d'un puits, caractérisée en ce quelle comprend une turbine à écoulement axial et une pompe à écoulement axial reliées l'une à l'autre de manière qu'elles soient bout à bout et alignées axialement, la turbine étant placée au-dessus de la pompe, la turbine ayant une admission de fluide moteur adjacente à son extrémité inférieure et un échappement de fluide moteur adjacent à son extrémité supérieure et destiné à transmettre le fluide moteur usé, la pompe ayant une entrée de fluide du puits adjacente à son extrémité inférieure et une sortie de fluide produit adjacente à son extrémité supérieure et à 1'admission de fluide moteur, et un dispositif placé entre l'admission de fluide moteur et la sortie de fluide produit et destiné à équilibrer les forces axiales de poussée exercées sur la turbine et sur la pompe. 2. Pompe hydraulique à commande par une turbine libre, destinée au pompage du fluide d'un puits et caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux colonnes disposées dans le puits, une pompe à turbine libre ayant une dimension telle qu'elle est mobile dans l'une des colonnes entre la surface et une position de travail dans le puits, la pompe comprenant une turbine à écoulement axial et une pompe à écoulement axial, associées l'une à l'autre bout à bout et alignées axialement, la turbine étant au-dessus de la pompe, la turbine ayant une admission de fluide moteur près de son extrémité inférieure et un échappement de fluide moteur près de son extrémité supérieurer la pompe ayant une entrée de fluide moteur près de son extrémité inférieure et une sortie de fluide produit près de son extrémité supérieure et de l'admission de fluide moteur, un dispositif placé entre l'admission de fluide moteur et la sortie de fluide produit et destiné à équilibrer les forces de poussée axiales exercées sur la turbine et sur la pompe, l'une des colonnes étant une colonne d'ålimentation destinée à transmettre du fluide moteur sous pression dans le puits vers le bas à partir de la surface, l'admission de fluide moteur com muniquant avec la colonne d'alimentation, une autre colonne étant une colonne de production destinée à transmettre le fluide produit vers le haut vers la surface, dans le puits, la sortie de fluide produit communiquant avec la colonne de production, et un dispositif de retour de fluide usé destiné à faire remonter celui-ci dans le puits, de l'échappement de fluide usé à la surface, l'entrée de fluide du puits communiquant avec le puits. 3. Pompe selon l'une des revendications 1 et 2, ca ractérisée en ce que la turbine et la pompe sont associées par un arbre dont l'extrémité supérieure est exposée à la pression du fluide moteur usé au niveau de l'échappement de fluide moteur, le dispositif d'équilibrage de poussée comprenant une surface annulaire tournée vers le bas, associée à l'arbre et exposée à la pression du fluide moteur à l'admission de fluide moteur. 4. Pompe selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif d'équilibrage de poussée comprend aussi une surface annulaire tournée vers le haut, associée à l'arbre et distante axialement de la surface tournée vers le bas, la surface tournée vers le haut étant exposée à la pression du fluide produit à la sortie de celui-ci. 5. Pompe selon les revendications 2 et 4 prises ensemble, caractérisée en ce que le dispositif de retour de fluide moteur est une troisième colonne disposée dans le puits. 6. Pompe à commande par turbine, destinée au pompage. du fluide d'un puits, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine à écoulement axial et une pompe à écoulement axial, associées l'une à l'autre bout à bout de manière qu'elles soient alignées axialement, la turbine étant placée au-dessus de la pompe, la turbine ayant une admission de fluide moteur adjacente à son extrémité inférieure et un échappement de fluide moteur adjacent à son extrémité supérieure, la pompe ayant une entrée de fluide du puits adjacente à son extrémité inférieure et une sortie de fluide produit adjacente à son extrémité su périeure et à l'admission de fluide moteur; et un dispositif sensible à la pression du fluide et associe à la turbine et à la pope de manière outil équilibre les forces de poussée axia les exercées sur la turbine et sur la pompe.