Brevet FR2286296A1 — publié le 19760423

La présente invention concerne les pompes alternati.ves -commandées par un fluide et plus précisément, des pompes des- tinées à des puits, notamment de pétrole. On utilise déjà des pompes ayant des pistons supérieur et inférieur, reliés par une tige, et ccportant un distribu- teur destiné à diriger de lthuile de commande sous pression élevée vers la face inférieure du piston supérieur, avec, prI- tiquement simultanément, la connexion de la face supérieure du piston supérieur au refoulement de la pompe, connexion dt- la face supérieure du piston inférieur à ce refoulement et connexion de la face inférieure du piston inférieur s l'admission de la pompe, ou, au contraire, destiné à diriger l'huile motrice sous pression élevée à la face supérieure du piston inférieur, avec pratiquement simultanément connexion de la face inférieure du piston inférieur au refoulement, connexion de la face supérieure du piston supérieur à l'admission, et connexion de la face inférieure du piston supérieur au refoulement. De telles pompes sont souvent disposées à une profondeur importante dans des puits, par exemple pouvaP.t atteindre 1800 mètres et plus, l'huile motrice de commande de la pompe devant être pompée à pression élevée et introduite dans la colonne d'huile motrice vers la pompe de manière que celle-ci évacue le fluide du puits à partir de la pompe, en formant dans le puits une colonne de fluide de puits qui est transmise a la surface. Les différences de pressionsagissant sur les pistons et sur la tige peuvent & re très importantes lors du fonctionnement.De telles pompes présentent ltavantage que, lors des courses vers le haut et vers le bas, la tige est toujours sous tension et non sous compression, si bien que les pompes peuvent être relativement longues, cette caractéristique étant souhaitable. Les brevets des Etats-Unis dAmérique ne 2 629 329 ct 2 948 224 décrivent des pompes de ce type. Cependant, lorsque, dans une pompe plastique, de l'huile sous pression élevée parvient sous la face inférieure du piston supérieur et exerce une force sur la face supérieure du piston inférieur ou inversement lorsque l'huile motrice sous pression est admise à la face supérieure du piston inférieur et exerce une force à la face inférieure du piston supérieur, comme cela est souvent le cas apyres 1 'inversion du sens de la course, la contrainte exercée sur la tige reliant les pistons peut être à peu près égale au double de la contrainte maximale normale exercée sur la tige et, étant donné les différences élevées de pressiorsdans une telle pompe, la tige peut céder si bien que la pompe ne fonctionne plus. L'invention concerne une pompe ayant un distributeur tel que la contrainte maximale exercée sur la tige de piston ne dépasse jamais notablement la contrainte maximale normale de fonctionnement appliquée à la tige. Il est avantageux que la pompe soit commandée par un distributeur tel que la pression exercée par la colonne de fluide remplace la pression exercée par l'huile motrice sur un piston, juste avant la fin de chaque course et avant que la pression de lthuile motrice remplace la pression exercée par la colonne sur l'autre piston à la fin de cette course, à la fois lors de la course vers le haut et de la course vers le bas de ensemble comprenant les pistons. 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 schématique d'une pompe de puits de pétrole selon l'invetltion, et elle représente la pompe lors de la remontée de l'ensemble à pistons la figure 2 est une coupe verticale détaillée de la partie du distributeur de la figure 1 et elle représente l'ensem- ble à pistons à l'extrémité supérieure de son parcours, le manchon du distributeur n'ayant pas encore commencé à remonter ;; la figure 3 est analogue à la figure 2 mais elle représente le manchon en position intermédiaire, après le début de sa remontée la figure 4 est une coupe verticale schématique de la pompe, lors de la. descente de l'ensemble à pistons la figure 5 est analogue à la figure 2 et elle représente ltensemblo à pistons à l'extrémité inférieure de son dé placement et le manchon, qui n'a pas encore commencé à redescendre ; et la figure 6 est analogue à la figure 5 et elle représente le distributeur position intermédiaire après le début de sa descente. Sur les dessins, la figure 1 représente une pompe 10 -de type relativement plastique, commandée par un fluide et placée dans un tubage il de puits, sur un ensemble 12 de fond de puits et comportant une colonne 13 d'huile motrice. L'ensemble 12 sépare le tubage il en un anneau 14 de production et une zone 15 à la pression de la formation, recevant l'huile qui doit être pompée de la.formation environnante, la pompe 10 étant destinée à pomper le pétrole de la zone 15, pratiquement & la pression de la formation, dans l'anneau 14 vers la surface du sol. La pompe 10 reçoit de l'huile motrice par l'intermédiaire de l'enveloppe 13, pour sa commande. La pompe 10 comporte un cylindre supérieur 17 de pompage dans lequel est disposé un piston supérieur 18, relié par une tige 19 à un piston inférieur 20 disposé dans un cylindre inférieur 21, les pistons 18 et 20 et la tige 19 formant un ensemble 16. Un distributeur 22 est monté entre les cylindres 17 et 21. La pompe 10 comprend un passage 24 d'admission d'huile motrice destiné a' recevoir l'huile motrice à une pression relativement élevée, par exemple 350 bars, provenant de l'enve- loppe 13 et transmis à l'intérieur de la pompe, l'huile étant dirigée vers la face inférieure du piston supérieur 18 lors de la remontée de l'ensemble 16 et au contraire vers la face supérieure du piston inférieur 20 lors de la descente de ltensem- ble 16. La partie supérieure du cylindre 17, au-dessus du piston 18, communique avec un passage 26 de refoulement et un clapet 27 avec l'anneau 14 de production lors de la remontée du piston supérieur et, lors de la descente du piston supérieur, avec la zone 15 placée au-dessous de l'ensemble 12 par l'inter médiaire d'un clapet 28 et d'un passage 29 ?t'admission. La partie inférieure du cylindre 21 au-dessous du piston 20, commu- nique, lors de la descente du piston inférieur, avec l'anneau 14- par un passage 29a de refoulement et un clapet 30, et, lors de la remontée du piston inférieur, avec la zone 15 à la pression de la formation par un clapet 31 et un passage 32 d'admissien.Le distributeur 22 commande le passage du fluide rers la partie inférieure du cylindre 17 et à partir de celle-ci; et vers la partie supérieure du cylindre 21 et à partir de celleci, ainsi que vers la partie inférieure du cylindre inférieur et à partir de celle-el. Sur la figure 2, le distributeur 22 comprend un manchou sensiblement tubulaire 34 de distributeur ayant une partie supérieure 35 et une partie inférieure 36, cette dernière ayant une section et un diamètre supérieurs à ceux de la partie supérieure. La partie 35 comporte une cavité annulaire 37 à sa partie externe, et la partie inférieure 36 comporte peu sieurs orifices radiaux 38 distants circonférentiellement et communiquant avec une cavité annulaire externe 39 L'extrémité inférieure de la partie 36 comporte une cavité annulaire interne 40 qui communique par des orifices radiaux distants 41 avec une cavité annulaire externe 42. La tige 19 comporte une cavité annulaire supérieure 43 et deux cavités annulaires in- férieure. 44 et 45. Le corps de la pompe 10, au-dessus du manchon 34, comporte une cavité annulaire 46 placée autour de la tige 19 et cborlmuniquant -par un passage 47 avec le passage 24 d'admission d'huile motrice si bien que, à tout moment, la pression de l'huile motrice est appliquée à l'extrémité supérieure de la partie 35 La cavité 46 communique aussi par un canal radial 47a avec un passage longitudinal 50 qui communique à son tour avec l1extrémité inférieure du cylindre 17. Au-dessous du passage 47, le corps de la pompe comporte une cavité annulaire interne 48 qui communique par plusieurs orifices 49 distants circonférentiellement avec l'anneau 14 de production.La cavité 48 co uni(lue aussi à son extrémité supérieure avec un pas sage 54 percé longitudinal ornent et ai communique à son extrémité inférieure, par des orifices radiaux 52, avec une cavité annulaire 53. La cavité annulaire 48 communique par des orifices radiaux 54 avec un passage longitudinal 55 qui communique lui-m8me avec l'extrémité supérieure du cylindre 21 au-dessus du piston 20. La figure 1 représente l'ensemble 16 à peu près à michemin de sa course de remontée, le manchon 34 occupant sa position la plus basse. A ce moment, l'huile motrice est dirigée par le passage 24 vers l'extrémité inférieure du cylindre 17, au-dessous du piston 18, et exerce une pression sur toute la section efficace de la face inférieure du piston, la pression de lthuile motrice étant appelée dans la suite P1. Une pression nettement inférieure de refoulement dans 11 anneau 14 est appliquée à l'extrémité supérieure du cylindre 17, sur la section efficace de l'extrémité supérieure du piston supérieur. Simultanément, l'extrémité supérieure du cylindre 21 communique directement avec l'anneau 14 par le passage longitudinal 55, les orifices 54, la cavité 48 et les orifices 49, et le fluide à la pression P2 de l'anneau 14 exerce une force sur la face supérieure du piston inférieur 20. Simultanément, la face inférieure du piston 20 est en communication, par le clapet 31 et le passage 32, avec la zone 15 à la pression de la formation, au-dessous de la pompe dans le puits, la pression de la formation étant appelée P3. La force résultante vers le haut exercée sur ensemble 16 provoque la remontée des pistons et le refoulement du fluide de l'extrémité supérieure des deux cylindres 17 et 21, dans l'anneau 14 puis vers la surface du sol.Lors de la remontée de l'ensemble à pistons, la pression du fluide moteur P1 est appliquée à l'extrémité supérieure du manchon 34 et la pression P2 de refoulement est appliquée à l'extrémité inférieure du manchon, si bien que celui- ci est maintenu dans sa position basse pendant la plus grande partie de la course de remontée de l'ensemble 16.. La figure 2 représente l'ensemble 16 à l'extrémité supérieure de sa course vers le haut, le manchon 34 n'ayant pas encore commencé à remonter. Dans cette position de l'ensemble 16, le fluide à la pression P1 exerce une force par l'intermé diaire du passage 24, du passage 47, de la cavité 46, du passage a.nnulaire formé entre l'intérieur du manchon 34 et i'exté- rieur de la tige 19, des cavités 44 et 45 de la tige des pistons, et de la cavité annulaire 40, des orifices 41 et de la cavité annulaire 42, vers l'extrémité inférieure du manchon 34. Comte cette extrémité intérieure a une section efficace su périeure à celle de son-extrémité supérieure, le manchon commence à remonter. La figure 3 représente le manchon 34 après le début de sa remontée à partir de la position de la figure 2. A ce moment, l'extrémité supérieure du manchon 34 a interrompu la communication entre l'orifice radial 47a et le passage 50, débou- chant à l'extrémité inférieure du cylindre 17, et la cavité an-nulaire 46 et le passage 47. Lorsque la remontée du manchon 34 a provoqué l T arrêt de cette communication, la poursuite de la remontée du manchon provoque la mise en communication de l'extrémité inférieure du cylindre 17 avec le fluide de la pression P2, par l'intermédiaire du passage 50, des cavités 37 et 48, du passage 51 et des orifices 49. Comme représenté sur la figure 3, la remontée du man chou 34 assure aussi la com:uuication entre l'extrémité supé- rieure du piston 20 et le fluide à la pression P1, par l'in- termédiaire du passage 47, de 11 anneau compris entre le manchon et la face externe de la tige 19, des orifices 54 et du passage 55. Cependant, juste avant que le manchon 34 atteigne la position représentée sur la figure 3, la cavité 37 communi- que avec le passage 50 avant que la cavité 39 communique par les orifices 54 avec le passage 55. De cette manière, le fluide à la pression motrice P1 de l'extrémité inférieure du cylindre 17 passe à la pression P9 de refoulement avant que le fluide à la pression P1 soit admis à l'extrémité supérieure du cylindre 21 . Ainsi, temporairement, les pressions à l'extrémité inCé- férieure du cylindre 17 et à l'extrémité supérieure du cylindre 21 sont rendues égales à 3a pression P2. Lors de la poursuite de la remontée du manchon 34 vers 1a position de la figure 3, l'huile à la pression motrice P1 parvint à l'extrémité supé rieure du cylindre 21, mais seulement lorsque la pression à l'extrémité inférieure du cylindre supérieur a été réduite à la valeur de la pression P2 de refoulement. La communication entre les orifices est assurée par un passage 56 formé dans le manchon 34. Dès que la communication est assurée, l'ensemble 16 descend dans sa course vers le bas comrne représenté sur la figure 4. Le manchon 34 continue à remonter vers l'extrémité supérieure de sa course comme représenté sur les figures 4 et 5. Lors de la descente de l'ensemble 16 comme représenté sur la figure 4, le manchon 34 reste à sa position supérieure représentée sur les figures 4 et 5. Il faut aussi noter sur les figures 1 et 4 que le manchon 34 est représenté schématiquement en élévation latérale et qu'on doit se référer aux autres figures détaillées qui représentent la construction réelle du manchon et de ses orifices. Après la fin de la course de descente de ensemble 16 comme représenté sur les figures 5 et 6, le manchon 34 commence à descendre à partir de la position supérieure représentée sur les figures 4 et 5, car de l'huile motrice à la pression P1 exerce une force à la petite extrémité supérieure du manchon alors que l'extrémité inférieure du manchon qui a une surface plus grande, reçoit du fluide à la pression P2 de refoulement comme représenté sur la figure 5. Du fait de cette différence de pressions, le manchon 34 descend.Lors de cette descente, la cavité 37 ne communique plus avec l'orifice 47a et le passage 50 et empêche la communication entre l'extrémité inférieure du cylindre 17 et le fluide à la pression de refoulement P2, tout en assurant la communication entre l extrémité supérieure du cylindre 21 et le fluide à la pression de refoulement P2, cern me représenté sur la figure 6.Lorsque le manchon 34 continue à descendre, son extrémité supérieure 35 dégage l'orifice 47a qui débouche dans le passage 50 comme représenté sur la figure 2 et permet l'admission du fluide r:stetlr à pression P1 dc la cavité 46 an passage longitudinal 50 et à l'extré,aIt6 infériellre du cylindre 17, si bien ç'ue I' rii.emble 16 peut commencer à remonter.Au début de la remontée dc 11 ensemble 16, la pompe est dans la position représentée sur la figure 6, le manchon 34 étant un peu plus bas que représenté sur cette figure, de manière que l'huile motrice parvienne au passage 50 comme représenté sur la figure 1 Ainsi, à la fin de la course de descente de l'ensemble 16, les pressions exercées à l'extrémité supérieure du piston 20 et à l'extrémité inférieure du piston 18 sont rendues égales à la pression P2 de refoulenient avant que le fluide moteur à la pression P1 soit transmis à l'extré- mité inférieure du piston supérieur pour le début de la course de montée. Ainsi, la tige 19 n'est jamais soumise, au cours du fonctionnement de la pompe 10, à une force de traction supé ricure à la force normalement appliquée lors des déplacements de l'ensemble 16, selon une caractéristique importante de l'in-- vention. il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Pompe commandée par un fluide, caractérisée en ce qu'elle comprend une pompe allongée ayant un corps principal qui comporte un cylindre supérieur de pompage dans lequel est logé un piston supérieur et un cylindre inférieur de pompagc placé au-dessous du cylindre supérieur et contenant un piston inférieur, les pistons étant liés rigidement l'un à ltautre par une tige, la pompe ayant un passage d'admission de fluide moteur destiné à être relié à une réserve dthuile motrice sous pression élevée, un passage d'admission de fluide du puits destiné à être relié à une réserve de fluide de puits à pression relativement faible, et un passage de refoulement destiné à recevoir le fluide pompé par la pompe et à le refouler dans un conduit parvenant à la surface du sol, la pression du fluide du passage de refoulement étant comprise entre les pressions dans le passage d'admission de fluide moteur et le passage d'admission de fluide du puits, et un distributeur disposé dans la pompe et destiné à relier le passage d'admission de fluide moteur à 11 extrémité inférieure du cylindre supérieur, au-dessous du piston supérieur, le passage d'admission de fluide du puits à l'extrémité inférieure du cylindre inférieur au-dessous du piston inférieur, et le passage de refoulement aux extrémités supérieures des cylindres, au-dessus des pistons, de manière que la pompe effectue une course ascen dante, le distributeur étant destiné alternativement à relier le passage d'admission de de fluide moteur a l'extrémité supérieu- re du cylindre inférieur, au-dessus du piston inférieur, le passage d'admission de fluide du puits à l'extrémité supérieure du cylindre supérieur au-dessus du piston supérieur, et le passage de refoulement aux extrémités inférieures des cylindres au-dessous des pistons, de manière que la pompe effectue une course de descente, le distributeur reliant lors de la course de montée de la pompe, le passage de refoulement à llex- trémité inférieure du cylindre supérieur avant de relier le passage d'admission de de fluide moteur à J'extrémité supérieure du cylindre inférieur et reliant, lors de la course de descente de la pompe, le passage de rcfoulemeut à I' extrémité supérieure du cylindre inférieur avant dc relier le passage d'admission dc fluide moteur à l'extrémité inférieure du cylindre supérieur, le distributeur comprenant un manchon tubulaire placé autour de la tige de piston et mobile longitudinalement - par rapport au corps de la pompe, en fonction des différences de pressions exercées sur lui par les fluides. 2. Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le manchon du distributeur a une première extrémité qui est toujours en communication avec le passage admission de fluide moteur, et une seconde extrémité de section efficace supérieure à celle de la première et qu; communique alternati- vement avec le passage d'admission de fluide moteur et le passage de refou)ement. 3. Pompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que la tige des pistons comporte un dispositif des-tiné à commander l'application des pressions de fluide au manchon.